ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA SECCIÓN DE ESTUDIOS DE POSGRADO E INVESTIGACIÓN
“DISEÑO DE UNA CELDA DE COMBUSTIBLE DE
HIDRÓGENO TIPO MEMBRANA DE INTERCAMBIO
PROTÓNICO CON UN MODELO EN ELEMENTOS
FINITOS
”
T E S I S
QUE PARA OBTENER EL TÍTULO DE:
MAESTRO EN CIENCIAS EN INGENIERÍA MECÁNICA
PRESENTA:
ING. ADOLFO LÓPEZ LIÉVANO
DIRECTORES:
DR. LUIS HÉCTOR HERNÁNDEZ GÓMEZ
DR. GUILLERMO URRIOLAGOITIA CALDERÓN
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA iv
DEDICATORIAS:
A mis padres Rosa Aurora y Aquilino:
Por su incondicional apoyo y por transmitirme la confianza para poder
alcanzar este logro.
A mis hermanos Daniel, Ignacio y Cesar:
Porque han sido valiosos ejemplos de la superación constante y por ser un gran
apoyo.
A mis cuñadas, Cecilia, Yaneth y Edith:
Con especial cariño por creer en mí y por sus ánimos y bendiciones que me
ayudaron a concluir este logro más en mi vida.
Con especial dedicatoria, a ti Madre:
Porque has sido el ejemplo viviente de que siempre hay una solución a los
problemas, por tu gran sacrificio en épocas adversas y tu incansable afán de
hacer de mí un hombre de provecho, y por tu eterna preocupación por inculcar
en mí principios morales y éticos, y porque siempre has sabido transmitirme la
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA v
AGRADECIMIENTOS:
A mis sinodales:
Dr. Guillermo Urriolagoitia Calderón
Dr. José Ángel Ortega Herrera
Dr. Luis Héctor Hernández Gómez
Dr. Juan Alfonso Beltrán Fernández
Dr. Carlos Torres Torres
M. en C.: Cándido Palacios Montúfar.
Por su apoyo sy u buena actitud en el desarrollo de la maestría.
Con especial agradecimiento al Dr.
Luis Héctor Hernández Gómez:
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA vi
RESUMEN
En el presente trabajo se abordó el diseño conceptual de una celda de combustible de tipo membrana de intercambio protónico PEM para aplicación automotriz, centrando especial atención en la evaluación de la integridad mecánica de la placa bipolar, por ser esta el componente más crítico de la celda bajo estudio. Dicha situación consiste en conocer el valor de los esfuerzos mecánicos y térmicos que se generan en ella. Para tal efecto, se aborda el estudio considerando dos esquemas de carga: 1) expansión térmica y 2) acción conjunta de la presión externa de ensamble y de la expansión térmica.
Por lo antes mencionado, se llevó a cabo el diseño de los dos componentes básicos de una celda tipo PEM. Estos son la MEA (Membrane Electrode Assembly) y la placa bipolar. Se consideró una potencia requerida de 200 W y un voltaje de salida de 12 V, asumiendo que la temperatura máxima de operación de la celda es de 100°c, y que está sometida a una presión externa de 544 kPa. Con estos datos se realizó el dimensionado de la placa bipolar, obteniéndose para ella una longitud de 120 mm, un ancho de 90 mm, un espesor de 5 mm y un área activa de 500 mm2 (tamaño de la MEA). Esta placa tiene canales en ambos lados de la misma para la distribución de Hidrógeno y Oxígeno. Con esto, se tiene que el stack completo de celdas está conformado por 19 placas bipolares. Se generó la geometría de una placa bipolar en un programa CAD para posteriormente importarlo al programa de elementos finitos ANSYS, para llevar a cabo la parte más importante del caso de estudio, el análisis estructural de la placa. Esto se realizó con apoyo del elemento solid 187, que tiene la capacidad de adoptar el comportamiento mecánico y térmico de la placa bipolar.
Se aplicó la teoría de Mohr para el análisis de falla. Para el caso 1, se encontró un esfuerzo
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA vii
ABSTRACT
In this thesis, the design of a fuel cell with a Proton Exchange Membrane (PEM) for automotive application was carried out. This work was focus on the evaluation of the mechanical integrity of the bipolar plate, as this is the most critical component of the cell. The mechanical and thermal stresses were evaluated. In consequence, the loading cases addressed were: 1) thermal expansion and 2) internal pressure and thermal expansion.
The two basic components of a PEM, the MEA (Membrane Electrode Assembly) and the bipolar plate cell, were analyzed. The power and output voltage were 200 W and 12 V, respectively. 100° c was assumed as a temperature of operation. Besides, it is under an internal pressure of 544 kPa. With this data, the bipolar plate was sized. It is 120 mm x 90 mm and its thickness is 5 mm. The active area is 500 mm2, which is the size MEA. This plate has channels on both sides. In this way, a similar distribution of Hydrogen and Oxygen is obtained. The complete stack has 19 bipolar plates. The geometry of the plate was obtained with a CAD code. This information was imported to ANSYS code. The finite element model was developed with a 187 element type. This element can be used for thermal and mechanical analysis.
Mohr failure analysis was used in the evaluation of the structural integrity. The material of the plate is graphite. Its ultimate stress was 60 MPa. In the case of the thermal analysis,
the a i u p i ipal st ess σ1 was 17.8 MPa, which is 29.66% of the ultimate stress.
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA viii
ÍNDICE GENERAL
RESUMEN vi
ABSTRACT vii
ÍNDICE GENERAL viii
ÍNDICE DE FIGURAS xi
ÍINDICE DE TABLAS xiii
SIMBOLOGÍA xvi
OBJETIVO xvi
OBJETIVOS PARTICULARES xvi
JUSTIFICACIÓN xvii
INTRODUCCIÓN 1
CAPÍTULO I. GENERALIDADES DE LAS CELDAS DE COMBUSTIBLE TIPO
MEMBRANA DE INTERCAMBIO PROTÓNICO
1.1 ¿Qué es una celda de combustible? 5
1.2. Evolución histórica de las celdas de combustible de hidrógeno. 6 1.3 Tendencia del consumo de energía en el sector de transporte público
de la Ciudad de México. 8
1.4 Algunas aplicaciones de las celdas de combustible de hidrógeno. 11
1.5 Esquema de funcionamiento. 13
1.5.1 Membrana de Intercambio Protónico. Electrolito. 15
1.5.2 Funcionamiento de los catalizadores. 18
1.6 Ensamble Membrana-Electrodo MEA. 20
1.7 Placas bipolares. 23
1.7.1 Topologías de canales. 25
1.7.1.1 Canales en serpentín. 25
1.7.1.2 Canales paralelos. 26
1.7.1.3 Canales interdigitados. 26
1.8 Sistemas auxiliares de una celda de combustible. 27
1.9 Stack de celdas de combustible. 28
1.10 Planteamiento del problema. 29
1.11 Metodología. 34
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA ix
CAPÍTULO II.
DIMENSIONADO DE LA CELDA PEM Y
FUNDAMENTOS TEÓRICOS DE DISEÑO TÉRMICO-MECÁNICO DE
LA PLACA BIPOLAR.
2.1 Dimensionamiento de la MEA 5 y placa bipolar. 39
2.2 Selección de la MEA. 41
2.3 Dimensionado de las placas bipolares. 45
2.3.1 Dimensionamiento y selección de la tipología de canal de las placas bipolares.
47
2.4 Dimensionado de los colectores. 49
2.5 Dimensionado de las placas de presión. 51
2.6 Transformación de esfuerzos. 54
2.6.1 Transformación de esfuerzo plano. 54
2.6.2 El círculo de Mohr para esfuerzo plano. 56
2.7 Esfuerzos térmicos. 59
2.8 Teoría del esfuerzo normal máximo. 62
2.9 Criterio de falla de Mohr. 63
2.10 Referencias. 66
CAPÍTULO III. ANÁLISIS DEL CASO DE ESTUDIO POR EL MÉTODO
DEL ELEMENTO FINITO.
3.1 Descripción del programa ANSYS. 68
3.2 Desarrollo del modelo numérico. 68
3.2.1 Obtención del modelo sólido virtual. 68
3.3 Selección del elemento. 69
3.4 Generación de la malla. 71
3.5 Condiciones de frontera. 74
3.6 Cargas. 76
3.7 Análisis numérico. 77
3.7.1 Caso 1. Análisis de esfuerzos generados por la expansión térmica a 100°c.
78
3.7.2 Caso 2. Análisis de esfuerzos debido a la temperatura y a la presión. 81
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA x
CAPÍTULO IV. DISCUSIÓN DE RESULTADOS.
4.1 Discusión de resultados. 86
4.2 Referencias. 93
CONCLUSIONES 94
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA xi
ÍNDICE DE FIGURAS
Figura Título Página
1.1 Diagrama principal de una celda de combustible. 5 1.2 Cronología histórica de las celdas de combustible. 6 1.3 Pila de combustible de tipo PEM empleadas en el programa espacial
Apolo del gobierno de los EE.UU.
7
1.4 El coche de pasajeros modelo Green Carde Energy Partners, movido por una celda tipo PEM probado en 1993 por Perry Technologies, y el sumergible de dos personas PC-1401desarrollado por Ballard en 1989.
8
1.5 Estación de hidrogeno para celdas de combustible. 9 1.6 Fuentes de energía primarias y combustibles para vehículos de
celdas de hidrógeno.
10
1.7 CIE (Centro de Investigación de Energía) de la UNAM. 11
1.8 Esquema de funcionamiento de una PEMFC. 15
1.9 Estructura química del Nafión. 16
1.10 Circulación de los protones a través de la membrana de Nafión. 17 1.11 Energía de activación E
a en función del uso de catalizadores. 19 1.12 Esquema del proceso de adsorción del hidrogeno sobre el
catalizador.
20
1.13 Arquitectura de una celda PEM. 21
1.14 Esquema de las Capas de Difusión de Gases. Los gases reactantes penetran en el apilamiento y se distribuyen uniformemente por la mayor parte de la superficie de los electrodos catalizados.
22
1.15 Estructura básica de la celda de combustible tipo PEM. 24 1.16 Diseño de placa bipolar con canales en serpentín. Fuente: LARMINIE,
J., DICK“, A. Fuel Cell “ ste s E plai ed . John Whiley and sons. 2003.
25
1.17 Diseño de placa bipolar con canales paralelos. Fuente: LARMINIE, J.,
DICK“, A. Fuel Cell “ ste s E plai ed . John Whiley and sons. 2003.
26
1.18 Diseño de placa bipolar con canales interdigitados. Fuente:
LA‘MINIE, J., DICK“, A. Fuel Cell “ ste s E plai ed . Joh While
and sons. 2003.
27
1.19 Esquema de sistemas auxiliares del stack. 28
1.20 Esquema de conexión de la celda en el sistema de potencia del vehículo automotriz.
29
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA xii hidrógeno).
1.22 Dimensiones de la placa bipolar, lado cátodo (distribución del oxígeno).
32
1.23 Daño tipo grieta por expansión térmica en placas bipolares. 33 1.24 Metodología para el desarrollo de la investigación. 35 2.1 Curva de polarización típica de una monocelda. 40 2.2 MEA 5 Nafion 117 de DuPontTM de 50 cm2[2.3]. 42
2.3 Hoja de datos del proveedor FuelCellStore de la MEA seleccionada. 43
2.4 Diseño del sello de teflón. 44
2.5 Hoja de datos del proveedor FuelCellStore de la placa de grafito. 46 2.6 a) Placa monopolar ánodo, b) placa monopolar cátodo, c) Paca
bipolar.
47
2.7 Plano de la placa bipolar en milímetros. 49
2.8 Diseño del electrodo de cobre. 50
2.9 Modelo en 3D del colector de voltaje. 50
2.10 Diseño de la placa de presión delantera. 51
2.11 Placa de presión trasera. 52
2.12 Diseño en 3D de las placas de presión a) delantera, b) trasera. 52 2.13 Diseño conceptual de una stack de celdas de combustible de hidrógeno de
200 W.
53
2.14 Estados de esfuerzo presentes en un material. 54 2.15 A partir de un estado de esfuerzo conocido (a), es posible conocer el
estado de esfuerzo del mismo elemento en alguna orientación distinta (b).
55
2.16 Obtención de la componente de esfuerzo y, a partir de la consideración de un ángulo 90.
56
2.17 Círculo de Mohr para un estado de esfuerzo bidimensional. 57
2.18 Ángulo p de los esfuerzos principales. 58
2.19 Falla de un material frágil por tensión y torsión. 62
2.20 Teoría del esfuerzo normal máximo. 63
2.21 Gráfica del círculo de Mohr. 64
2.22 Criterio de falla de Mohr. 64
3.1 Modelo sólido virtual de la placa bipolar. 69
3.2 Mallado del modelo en elementos finitos. 70
3.3 Geometría del elemento solid 187. 72
3.4 Refinado de la malla en la zona de los barrenos 73 3.5 Refinado de la malla en el área de los canales de la placa bipolar. 74 3.6 Restricción de la placa bipolar en la dirección z y en los barrenos. 75
3.7 Restricciones de la placa bipolar. 75
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA xiii 3.9 Cargas mecánicas debido a la presión de apriete. 76
3.10 Campo de temperaturas en la placa bipolar. 78
3.11 Dist i u ió del esfue zo p i ipal σ1, debido a la temperatura. 79 3.12 Dist i u ió del esfue zo p i ipal σ2, por la acción de la
temperatura.
79
3.13 Dist i u ió del esfue zo p i ipal σ3, por la acción de la temperatura.
80
3.14 Concentración del esfue zo p i ipal σ1, debido a la acción simultanea de presión y temperatura.
81
3.15 Dist i u ió del esfue zo p i ipal σ2, debido a la acción simultanea de la presión y temperatura.
81
3.16 Dist i u ió del esfue zo p i ipal σ3, debido a la acción simultanea de la presión y temperatura.
83
4.1 Campo de esfuerzos principales en las cercanías de los barrenos de la placa bipolar.
88
4.2 Restricción de la expansión térmica. 88
4.3 Esquema de deformación del apilamiento debido a un apriete excesivo.
89
4.4 Resultados experimentales de la resistencia eléctrica de contacto entre la capa difusora de gas y la placa bipolar de grafito
90
4.5 Co e t a ió del esfue zo p i ipal σ1, debido a la acción simultanea de una presión de 2 MPa y la temperatura.
91
ÍNDICE DE TABLAS
Tabla Título Página
1.1 Consumo de combustible por sector en México. (P-Joules) 7 1.2 Funciones de las placas bipolares y requisitos necesarios de los
materiales.
23
1.3 Dimensiones de la placa bipolar. 29
2.1 Características de la MEA seleccionada del fabricante DuPontTM. 42 2.2 Propiedades mecánicas, térmicas y eléctricas del grafito de la marca
POCO.
45
2.3 Dimensiones de la placa bipolar. 48
2.4 Elementos que componen el stack de celdas de combustible. 53
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA xiv
3.2 Propiedades del elemento solid 187. 71
3.3 Propiedades mecánicas del grafito. 66
4.1 Esfuerzos principales en la cercanía de los barrenos de la placa bipolar, causados por la temperatura.
86
4.2 Esfuerzos principales en la cercanía de los barrenos de la placa bipolar, causados por presión y temperatura.
86
SIMBOLOGÍA
Símbolo Significado
S Valor del esfuerzo básico permisible.
T Temperatura.
ЄZ Deformación unitaria en dirección Z.
σY Esfuerzo normal en un plano conocido perpendicular al eje Y.
σX Esfuerzo normal en un plano conocido perpendicular al eje X.
σZ Esfuerzo normal en un plano conocido perpendicular al eje Z.
τXY Esfuerzo cortante en el plano conocido XY.
τX´Y´ Esfuerzo cortante en el plano arbitrario X´Y´.
Ɵ Ángulo de inclinación de un plano.
ƟP Ángulo de los esfuerzos principales.
σprom Esfuerzo promedio en el círculo de Mohr.
σ1,2 Esfuerzos principales en un estado plano de esfuerzos.
σúlt Esfuerzo último a tensión simple R Radio del círculo de Mohr.
α Coeficiente de expansión térmica.
T Cambio algebraico de temperaturas.
εij Tensor de deformaciones unitarias.
εe
ij Tensor de deformaciones unitarias elásticas. T
ij Tensor de deformaciones debidas al cambio de temperatura.
ν Relación de poisson.
ϒ Deformación unitaria por esfuerzo cortante.
G Módulo de elasticidad.
Sh Esfuerzo permisible del material a la máxima temperatura de operación del metal.
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA xv Total
I Corriente eléctrica total de la celda de combustible.
P Potencia eléctrica en watts de la celda de combustible.
Total
V Volteje total de la celda de combustible.
celdas
N Número de celdas de un stack de celdas de combustible.
Electrodo
I Corriente eléctrica que atraviesa un electrodo de una celda de combustible.
j Densidad de corriente de una celda de combustible. T Par de torsión de apriete.
F Fuerza de apriete.
b
K Coeficiente de fricción del tornillo de sujeción.
b
D Diámetro nominal de un tornillo.
b
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA xvi
OBJETIVO.
Realizar el diseño conceptual de un stack de celdas de combustible de hidrógeno de aplicación automotriz, y llevar a cabo un análisis estructural para cuantificar los esfuerzos que se generan sobre la placa bipolar de la celda, mediante el Método del Elemento Finito. Esto con el propósito de determinar si dicho componente es capaz de resistir el efecto de los esfuerzos de origen térmico y mecánico.
OBJETIVOS PARTICULARES.
Realizar el dimensionamiento de los componentes principales de una celda de combustible de hidrógeno tipo PEM.
Crear el modelo de la placa bipolar, en el programa de elementos finitos ANSYS.
Realizar el análisis de esfuerzos en la placa bipolar, debido a la acción de cargas de origen térmico, y compararlos con el esfuerzo admisible del material.ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA xvii
JUSTIFICACIÓN
Las últimas dos décadas del siglo XX pueden ser consideradas como un tiempo de transición de los métodos de producción de energía, almacenamiento y conversión. Los combustibles fósiles, carbono, aceites y gas natural, que han sido responsables del desarrollo casi increíble de la tecnología en el mundo, son ahora considerados como peligrosos para la subsistencia del medio ambiente debido a la contaminación que generan y que además se están agotando. Por otro lado, con el uso desmedido de estos combustibles crece la posibilidad de que se detenga el progreso tecnológico, en un momento en que la creciente población mundial necesita mucha más comida, mejores viviendas, mejora de productos industriales, extender sus medios de trasporte y comunicación.
Por lo antes mencionado, se ha intensificado el estudio de las energías renovables en el mundo. A este respecto, las celdas de combustible de hidrógeno tipo membrana de intercambio protónico han cobrado especial importancia.
Estas celdas no producen contaminación, operan a temperaturas relativamente bajas, tienen alta densidad de potencia, pueden variar rápidamente su salida de potencia para atender cambios en la demanda y son muy adecuadas para aplicaciones en automóviles, en donde un arranque rápido es requerido. Pero principalmente de acuerdo con el Departamento de Energía de los Estados Unidos (Department of Energy, DOE por sus siglas en inglés), so el a didato ú e o u o pa a ehí ulos de t a ajo lige o, pa a edificios y potencialmente para muchas aplicaciones pequeñas tal como reemplazo de baterías".
Por lo antes mencionado, se están realizando diversos estudios en cuanto a la aplicabilidad y eficiencia de las celdas tipo PEM. A pesar de ello, poco se ha estudiado acerca de su comportamiento mecánico. Esto, debido a que por sus pequeñas dimensiones, erróneamente se asume que no existirán problemas de esta naturaleza. Sin embargo, tomando en cuenta que las temperaturas de operación llegan hasta 100°c es esencial tomar en cuenta que se desarrollan expansiones térmicas, principalmente en la placa bipolar, que generalmente está construida de grafito, desarrollándose esfuerzos térmicos de importante magnitud.
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA xviii
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA 1
INTRODUCCIÓN
Las celdas de combustible utilizan una reacción electroquímica entre un combustible, generalmente hidrógeno, y oxígeno, típicamente del aire para generar electricidad. Hay múltiples tipos de células de combustible que tienen diferentes ventajas para diferentes aplicaciones. Estos incluyen metanol directo, Alcalina, ácido fosfórico, carbonato fundido, óxido sólido o de membrana de intercambio protónico. Este trabajo se centra en el análisis de una celda de combustible tipo membrana de intercambio protónico, más comúnmente conocida como celda tipo PEM (Proton Exchange Membrane por sus siglas en ingles).
Una de las partes más importantes de las celdas tipo PEM, son las placas bipolares. Estas deben ser consideradas como algo más que unas simples estructuras de placas conductoras y acanaladas que distribuyen los gases hacia la membrana y proporciona los contactos eléctricos necesarios. Sin embargo, es uno de los elementos más importantes y costosos de la pila. Por lo anterior expuesto, este trabajo se enfoca en el estudio de la placa bipolar. Por una parte se lleva a cabo su diseño, así como el criterio de selección del ensamble membrana – electrodo, comúnmente conocido como la MEA (Membrane Electrode Assembly), y por otra parte, se analizan los esfuerzos en la placa bipolar, estos esfuerzos son de tipo térmico ocasionados por la temperatura de trabajo, la cual es de 100°c; y de origen mecánico, debido a los elementos de sujeción que mantiene a la celda compactada.
El desarrollo de la tesis lleva la siguiente estructura:
Capítulo 1. En este capítulo, se habla acerca de las generalidades de las celdas de combustible tipo PEM (Proton Exchange Membrane); su principio de funcionamiento, la descripción e importancia de las partes elementales que la componen, se hace el planteamiento del problema y por último se establece la metodología que sigue este trabajo.
Capítulo 2. Se lleva a cabo el diseño de las partes principales de la celda de combustible, las cuales son, la placa bipolar y la selección de MEA, y se aborda los principios básicos y necesarios a cerca de la teoría de esfuerzos que describen el comportamiento térmico-mecánico, y por último se realiza el diseño conceptual de la celda de combustible.
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA 2 generan las condiciones de frontera y la malla que discretiza al modelo, y se realiza el análisis térmico-mecánico de la placa bipolar.
Capítulo 4. Se realiza la discusión e interpretación de resultados del análisis numérico en ANASYS.
Y por último se realizan las conclusiones finales y las recomendaciones para trabajos futuros.
Cabe mencionar que en la SEPI ESIME Zacatenco, se han realizado trabajos cuya línea de investigación se relaciona con el campo de las energías alternas. A este respecto se menciona a Urriolagoitia Calderón y Nava Segura [1], quienes desarrollaron un proyecto para la ciudad de México, que consistió en la implementación de 20 autobuses de prueba, durante un periodo de 5 años, funcionando con celdas de combustible de hidrógeno y con un sistema de abastecimiento de combustible de hidrógeno. Vértis [2], quien desarrollo un trabajo que consistió en la obtención de un polvo de Magnesio para la formación de MgH2, mediante la adhesión de Hidrogeno en fase gaseosa. A Torres[3], el cual desarrollo un estudio técnico y socioeconómico para el desarrollo de un automóvil hibrido, para operación como taxi en la ciudad de México. Por otra parte Gabriel Luna [4] quien realizó el diseño y manufactura de una celda de combustible para la producción de hidrógeno utilizando orina filtrada.
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA 3
Referencias
[ ] A. Na a “egu a, G. U iolagoitia Calde ó ; P efeasi ilit a al sis of h d oge suppl fo HFC uses i Me i o Cit ; P o e to; Mé i o .
[ ] I.A. Vé tis Maldo ado; A álisis e pe i e tal de al a e a ie to de hid óge o e
est u tu as sólidas ; Tesis de do to ado de la “EPI E“IMA )a ate o; Ju io .
[ ] D. To es F a o; Estudio i teg al de pa á et os té i os so ioe o ó i os pa a el desa ollo de u auto ó il hi ido pa a ope a o o ta i e la Ciudad de Mé i o ; tesis
de doctorado de la SEPI ESIME Zacatenco; Septiembre 2012.
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA 4
GENERALIDADES DE LAS
CELDAS DE COMBUSTIBLE
TIPO MEMBRANA DE
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA 5
1.1. ¿Qué es una Celda de Combustible?
Una celda de combustible es una celda electroquímica, la cual puede convertir constantemente la energía química de un combustible y un oxidante a energía eléctrica, a través de un proceso que implica un sistema esencial e invariante electrodo-electrolito. Las celdas de combustible trabajan con una alta eficiencia y con emisiones muy por debajo de los más estrictos estándares.
Los sistemas de celdas de combustibles tienen la ventaja de ser regulables y pueden, por lo tanto, ser construidos para grandes rangos de requerimientos de energía, desde unos cientos de watts hasta varios kilo-watts o mega-watts. Este rango permite la construcción de plantas de energía con alta eficiencia [1.1].
Figura 1.1 Diagrama principal de una Celda de Combustible.
Carga
Combustible
Desechos de combustible y gases
Oxidante
Desechos de oxidante y agua
Ánodo Membrana de Cátodo Intercambio
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA 6
1.2. Evolución histórica de las celdas de combustible de
hidrógeno.
Al contrario de lo que puede pensarse, el concepto de la celda de combustible de hidrógeno no es un invento moderno. Un cronograma aproximado de la evolución de las celdas de combustible de hidrógeno se muestra en la figura 1.2. Su principio de operación de las pilas de combustible es realmente muy antiguo, descubierto por Sir William Grove en el año 1839 [1.2], aunque parece que un científico suizo, llamado Christian F. Shönbein, había descrito de forma independiente el mismo efecto de manera simultánea (o incluso un año antes) [1.3]. Fue Nernst [1.4], quien en 1900 dedujo la ley termodinámica que rige el principio de funcionamiento de las células de combustible y, además, fue el primer constructor de la célula de combustible de óxidos sólidos o cerámica.
Pese a los esporádicos intentos realizados por desarrollar un dispositivo práctico, la llama-da por Grove [1.5.], batería voltaica gaseosa permaneció como una curiosillama-dad científica durante casi un siglo. Fue otro científico inglés, Francis T. Bacon, quien retomó los trabajos sobre estos dispositivos de forma práctica en 1937, desarrollando una celda de 6 kW a finales de la década de 1950.
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA 7 Sin embargo, la primera aplicación práctica de las pilas de combustible tuvo lugar en el Programa Espacial de los Estados Unidos. Para ello, General Electric desarrolló una pila alimentada por hidrógeno que se empleó en el Programa Gemini a principio de la década de 1960. Este primer desarrollo fue seguido por el del Programa Espacial Apolo, figura 1.3, el cual empleó celdas de combustible para generar electricidad empleada para el uso diario, así como en las redes de comunicaciones. Estas celdas fueron desarrolladas por Pratt y Whitney, con base en la licencia tomada sobre la patente de F. T. Bacon [1.6].
A mediados de la década de 1960, General Motors incorporó una pila de combustible desarrollada por Union Carbidea a una furgoneta. Pese a que las pilas de combustibles se han seguido empleando en todas las misiones especiales de los EE.UU hasta hoy día, éstas fueron «olvidadas» en las aplicaciones terrestres hasta el comienzo de la década de 1990. A partir de este momento, se probaron sistemas de celdas de combustibles en todo tipo de aplicaciones, como en coches [1.7], autobuses, submarinos, etc.
Figura 1.3.Pila de combustible de tipo PEM empleadas en el programa espacial Apolo.
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA 8 echar un vistazo al aumento exponencial del número de patentes solicitadas sobre esta tecnología, lo que demuestra el continuo interés y participación de la comunidad científica e ingenieril de todo el mundo en su desarrollo.
Figura 1.4.El coche de pasajeros modelo GreenCarde Energy Partners, movido por una celda tipo PEM probado en 1993 por Perry Technologies,y el sumergible de dos personas
PC-1401desarrollado por Ballarden 1989.
1.3. Tendencia del consumo de energía en el sector de transporte
público de la Ciudad de México.
Un estudio del Instituto de Energía de la UNAM, acerca del consumo de energía del trasporte público en la Ciudad de México, demuestra que en el año 2020, el parque vehicular seria de casi tres veces lo que circuló en el año 2006, y que el auto privado seguirá representado cerca del 88% del total de la flota. El consumo de energía representara 2.16 veces el de 2006 [1.8].
El sector de transporte público es el mayor consumidor de combustible en la Ciudad de México. Su demanda creció en 69.3% durante el periodo 1990-2007 (tabla 1.1). Sin embargo, en la década de 1990 a 2000 la tasa promedio de crecimiento anual fue de 2.6%, mientras que para el periodo 2000-2007, esta aumentó a 4.8%.
Tabla 1.1. Consumo de combustible por sector en México. (P-Joules)
Sector 1990 2007 Tasa de Crecimiento
Consumo propio 590.69 748.27 26.7%
Generación eléctrica 894.73 1658.89 85.4%
Industrial 915.21 920.73 0.6%
Transporte 1271.37 2152.44 69.3%
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA 9
Residencial 529.28 575.96 8.8%
Agropecuario 68.43 106.81 56.1%
Total 4322.05 6242.94 44.4%
Fuente: Información del Balance Nacional de Energía (SE, 1997; 2008)
Lo expuesto anteriormente indica una clara tendencia en el incremento del consumo de energía en el transporte público de la ciudad de México para los próximos años, lo cual ha venido creando la necesidad implementar el uso de las celdas de combustible para el transporte público. Tal es el caso del proyecto Prefeasibility analysis of hydrogen supply for HFC buses in Mexico City [1.9]. Dicho proyecto consistió en la implementación de 20 autobuses de prueba, durante un periodo de 5 años, funcionando con celdas de combustible de hidrógeno y con un sistema de abastecimiento de combustible de hidrogeno, figura 1.5.
Figura 1.5. Estación de hidrógeno para celdas de combustible.
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA 10
Figura 1.6. Fuentes de energía primarias y combustibles para vehículos de celdas de hidrógeno.
En México, se llevan a cabo investigaciones y proyectos referentes a las energías renovables en el CIE (Centro de Investigación de Energía) de la UNAM (figura 1.7), allí se llevó a cabo un proyecto para la creación de un sistema híbrido de energía, solar e hidrogeno, con él se utiliza la energía recolectada por las celdas fotovoltaicas para poder producir hidrogeno, el cual es almacenado inmediatamente y enviado a las celdas para generar la electricidad.
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA 11
Figura 1.7. CIE (Centro de Investigación de Energía) de la UNAM.
1.4. Algunas aplicaciones de las celdas de combustible de
hidrógeno.
Gracias a todas estas propiedades, las celdas de combustibles ya se han ensayado en una gran variedad de aplicaciones. Entre éstas están:
Automóviles: La mayoría de compañías fabricantes de coches han probado y desarrollado al menos un prototipo movido por esta nueva tecnología, mientras otras tienen ya varias «generaciones» de estos vehículos. Algunas compañías trabajan en el desarrollo de sus propias tecnologías (General Motors, Toyota, Honda), mientras otras (DaimlerChrysler, Ford, Nissan, Mazda, Hyundai, etc.) compran los sistemas de pilas a fabricantes como Ballard, UTC Fuel Cells, y DeNora.
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA 12 sistemas en motos y bicicletas, usando el hidrógeno almacenado tanto en botellas, como en forma de hidruros metálicos, o usando pilas de metanol directo.
Coches para campos de golf y vehículos utilitarios: Energy Partners enseñó el primer prototipo de estos coches en 1994, para su uso dentro de la villa olímpica en los Juegos de Los Ángeles 1996. Esta compañía también convirtió tres vehículos utilitarios modelo Gator de John Deere a sistemas de pilas de combustible, siendo empleados en el aeropuerto de Palm Spring (1996).
Sistemas de backup y regenerativos: Ballard, lleva desde el año 2002, comercializando, conjuntamente con Coleman, sistemas de backupde 1 kW de potencia. Asimismo, combinando su tecnología de electrolizadores con pilas Nexa de Ballard, Proton Energy System demostró este tipo de sistemas, los cuales generan su propio hidrógeno en los periodos de exceso de electricidad.
Sistemas portátiles: Muchas compañías como MTI, Motorola, NEC, Fuji, Matsushita, Medis, Manhattan Scientific y Polyfuel desarrollan sistemas miniaturizados de celdas de tipo PEM para reemplazar a las baterías en diferentes dispositivos electrónicos y militares. La mayoría de éstos emplean metanol directo o incorporan micro-reformadores en pilas tipo PEM.
Industria aeronáutica: En 2004, Boeing probó un sistema en el cual modificó un aeroplano movido por un motor, reemplazándolo por una pila de combustible conectada a un motor eléctrico, regresando al sistema de hélice. En España, en el año 2008 voló por primera vez un pequeño avión tripulado de hélice con una pila de combustible de hidrógeno. El vuelo se realizó en el aeródromo de Ocaña, a 60 kilómetros de Madrid. El aparato, una avioneta biplaza convencional Dimona fabricada en Austria pero modificada por un equipo de ingenieros madrileños del Centro de Investigación y Tecnología de Boeing, se mantuvo en el aire durante 20 minutos utilizando un sistema híbrido formado por una celda de combustible y baterías de ión-litio.
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA 13 En 1989 Perry Technologies desarrolló de forma satisfactoria el primer submarino comercial movido por un sistema de celdas de combustible, es sumergible de dos personas PC-1401, usando una celda de Ballard. Siemens también suministra sistemas de este tipo para submarinos grandes usados por las marinas de Alemania, Canadá, Italia y Grecia. En España, el astillero de Navantiaen Cartagena (Murcia) ha recibido la celda de combustible del sistema AIP (Air Independent Propulsion) correspondiente al S-81, el primero de los submarinos de la serie 80 que la empresa pública española está construyendo para la Armada. La pila de combustible ha sido desarrollada por la empresa estadounidense UTC, una de las empresas líderes mundial en el sector.
1.5. Esquema de funcionamiento.
Los elementos necesarios para la reacción electroquímica que tiene lugar en una celda individual son hidrógeno y oxígeno, y se introducen en ella desde el exterior a través de las placas bipolares. El hidrógeno, distribuyéndose por una red de canales y determinadas capas porosas, se homogeneiza hasta llegar al ánodo. Análogamente, el oxígeno se distribuye hasta el cátodo de la pila desde la placa bipolar catódica.
El oxígeno y el hidrógeno tienen gran afinidad química. Una vez introducidos por los extremos de la celda, están físicamente separados por el electrolito, que consiste en una fina membrana diseñada para ser permeable únicamente al paso de iones positivos. A cada lado del electrolito se sitúan los electrodos, capas catalizadoras donde el hidrógeno sufre una oxidación a sus protones (H) y electrones, mientras que el oxígeno,
análogamente se descompone en sus iones.
Ocurre por tanto que los protones H+, debido a su afinidad eléctrica con los iones O2
del otro extremo del electrolito, atraviesan la membrana semipermeable, mientras que los electrones son forzados a circular por el circuito externo, cerrando el circuito eléctrico y creando la corriente útil. Una vez que los protones H+ alcanzan el cátodo, se combinan con los aniones O2- procedentes de la descomposición del oxígeno dando lugar a moléculas de agua, que serán evacuadas.
Las reacciones químicas que se han producido son en definitiva las siguientes:
Ánodo: H2 → H + 2e
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA 14 Estas reacciones, al producirse, habrán liberado un calor considerable, que habrá que evacuar si se pretende mantener constante la temperatura de funcionamiento del equipo, ya que para optimizar el rendimiento la celda, debe trabajar en determinadas condiciones de operación. Para ello se utilizan diversos métodos de refrigeración.
A continuación se muestra un esquema de funcionamiento resumido, dónde resulta más intuitiva la comprensión de su funcionamiento [1.10].
En resumen, las celdas de combustible tipo PEM operan de la siguiente manera:
1. Se suministra hidrógeno al ánodo y oxígeno al cátodo.
2. Cuando el hidrógeno en forma de gas llega al ánodo, este se disocia en protones y electrones. Para que esto pueda llevarse a cabo, es necesaria la presencia de un catalizador, cuya misión es la de aumentar la velocidad de las reacciones electroquímicas.
3. Debido a las características del electrolito, solo los protones son capaces de llegar al cátodo sin la necesidad de recurrir a un circuito eléctrico externo. Son precisamente las propiedades del electrolito las que caracterizan a las celdas de combustible tipo PEM.
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA 15
Figura 1.8. Esquema de funcionamiento de una PEMFC.
1.5.1. Membrana de Intercambio Protónico. Electrolito.
La diferencia fundamental entre la celda tipo PEM y el resto de las celdas de hidrógeno, radica en el electrolito empleado. Se trata de una membrana polimérica de entre 75 y 150 micras que recibe el nombre comercial de Nafión, fabricado por Dupont. Es un derivado del Teflón cuya estructura se muestra en la Figura 1.9.
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA 16
Figura 1.9. Estructura química del Nafión.
Como resultado de las experiencias acumuladas, las actuales celdas PEM solo utilizan como electrolito, la propia membrana hidratada.
En general, un electrolito común es una sustancia que se disocia en iones cargados positiva y negativamente en presencia de agua, haciendo por ello que la solución acuosa sea conductora de la electricidad debido al propio movimiento de los iones. Pero en el caso de las celdas PEM, el electrolito usado es un tipo de plástico similar en apariencia a las películas usadas en el ámbito doméstico para envolver alimentos y, como se ha mencionado antes, recibe el nombre comercial de Nafión. Las membranas de este material poseen una extraordinaria estabilidad química y térmica, y soportan la acción de numerosos agentes oxidantes o reductores, así como temperaturas relativamente elevadas [1.12].
El electrolito de las celdas PEM es un tanto peculiar, ya que para el correcto funcionamiento de todo el dispositivo, se debe mantenerse humeda en todo momento, de manera que el agua es absorbida por la membrana para que, debido a la estructura química del Nafión, los iones negativos quedan retenidos dentro de él, mientras que solo los iones positivos contenidos en la membrana son móviles y libres para llevar carga positiva desde el ánodo hasta el cátodo.
En las celdas PEM, los iones positivos son iones de hidrógeno o protones, de aquí la
desig a ió Me a a de I te a io de P oto es . Este o i ie to de a gas
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA 17 Aunque por requerimientos del diseño de las celdas de combustible, las membranas de Nafión son muy delgadas, constituyen un medio muy efectivo de separación entre los gases reactantes; puede mantener separados el hidrógeno (combustible) del oxígeno (oxidante), lo que representa una característica fundamental para el buen funcionamiento de la celda.
Como se ha comentado anteriormente, este tipo de membrana polimérica constituye un buen conductor iónico, pero no así de electrones, ya que por su naturaleza orgánica los convierte en buenos aislantes eléctricos. Debido a esta propiedad aislante, los electrones producidos en el ánodo del dispositivo, deben desplazarse a través de un circuito externo para poder llegar al cátodo y alimentar así a la carga con la que interesa trabajar.
La membrana de electrolito polimérico es un polímero orgánico sólido compuesto por ácido poli – perfluorosulfonico, y en el caso del Nafión consta de tres zonas bien diferenciadas [1.13].
Una cadena principal de fluorocorbonos (Teflón), repetida cientos de veces. Cadenas laterales que conectan la cadena.
Grupos iónicos formados por grupos sulfónicos.
Figura 1.10.Circulación de los protones a través de la membrana de Nafión.
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA 18 el electrolito como tal es necesario añadir otra fase adicional. El HSO3 PTFE se sulfata, y en uno de los lados de la cadena se añade un grupo sulfónicos HSO3. Este grupo se enlaza iónicamente, obteniéndose al final de la cadena lateral un ion SO3-. Como consecuencia de la presencia de estos iones y de los H+, se produce una fuerte atracción entre los iones positivos y negativos de cada molécula, de manera que se forman una serie de agrupaciones dentro del material. El ácido sulfónico es fuertemente hidrófilo, encontrándose en el interior de una estructura hidrófoba.
La región hidrófila localizada alrededor de los agregados de cadenas laterales sulfonadas puede absorber grandes cantidades de agua, de manera que dentro de estas regiones hidratadas, los protones son débilmente atraídos por los grupos SO3-, y gracias a ellos son capaces de desplazarse.
Por lo tanto, puede resumirse que el Nafión es un material con alta resistencia mecánica y química, y que puede absorber grandes cantidades de agua, de manera que permite a los protones moverse dentro de el con cierto grado de libertad. Sin embargo, la conductividad iónica del Nafión aumenta a medida que lo hace la humedad relativa, pero no así con el incremento de la temperatura, ya que este se ve incapaz de retener agua a temperaturas superiores a los 80° C. Este último es un factor determinante en el diseño de las pilas de Combustible tipo PEM [1.14].
1.5.2. Funcionamiento de los catalizadores
Se puede observar que en numerosas reacciones químicas, aunque se mantengan constantes las concentraciones, presión y temperatura, la velocidad de reacción se ve afectada por otros factores (superficie de contacto entre reactivos, estado de las mismas, etc.). Como en el caso de las pilas PEM, existen numerosas reacciones que transcurren muy lentamente cuando se mezclan exclusivamente los reactivos, y que aumentan pronunciadamente su velocidad cuando se introducen otras sustancias. Todos estos hechos que varían la velocidad de las reacciones se denominan procesos catalíticos, y las sustancias responsables de ellos se llaman catalizadores.
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA 19
Figura 1.11.Energía de activación Ea en función del uso de catalizadores.
Los catalizadores son parte activa en la reacción formando compuestos intermedios que se descomponen enseguida regenerando el catalizador, por lo que este nunca se consume. Así que se puede decir que el catalizador cambia el curso ordinario de la reacción, que en el caso de las pilas PEM seria extremadamente lento, y que hace que esta transcurra por un camino diferente por el cual la energía de activación es mucho menor, con lo que aumenta su velocidad [1.15]
El catalizador que mejor trabaja en ambos electrodos de la celda PEM es el platino, un material extremadamente costoso y que encarece enormemente estos dispositivos. Una vez que el combustible (hidrógeno), atraviesa la capa de difusión de la celda y llega al ánodo, este se encuentra con una capa de electrolito de platino, el cual cataliza la disociación de la molécula de combustible en dos átomos de hidrógeno enlazados con dos átomos de platino. En este momento, cada átomo de hidrogeno libera un electrón para formar un ion hidrogeno H, de acuerdo con las siguientes reacciones:
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA 20 Este proceso de contacto del hidrógeno con el platino recibe el nombre de adsorción, y está representado de forma esquemática en la Figura 1.12.
Una vez disociado el hidrógeno, los electrones son conducidos a través de un circuito externo para alimentar una carga, mientras que lo iones de hidrógeno atraviesan la membrana polimérica de Nafión hasta llegar al cátodo, donde reaccionan con los electrones del circuito externo y el oxígeno para generar vapor de agua.
Figura 1.12. Esquema del proceso de adsorción del hidrógeno sobre el catalizador.
La capacidad de algunos metales para adsorber hidrógeno fue descubierta en 1823 por un ingeniero alemán llamado Dobereiner, el cual encontró que una muestra de paladio con hidrógeno se calienta tanto que era capaz de encender cigarrillos; el descubrimiento se
lla ó E e dedo de Do e ei e . “i e a go, este o ta to e t e la química y la metalurgia fue estudiado con detenimiento por el químico ingles Thomas Gram, en 1866. Desde entonces, el hidrógeno en los metales fue estudiado por numerosos científicos para diferentes enfoques [1.16].
Hoy en día se sabe que los metales de transición, tales como el paladio, el titanio y el platino son capaces de adsorber ciertas cantidades de iones ligeros que inciden sobre su superficie. El número de iones que puede penetrar es una función, tanto de la estructura interna del metal, como de sus condiciones superficiales.
1.6. Ensamble Membrana-Electrodos MEA.
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA 21 sigue denominando a estos ensamblajes como MEA3, que incluyen dos electrodos y membrana electrolítica; o MEA5, que incluyen los dos electrodos, membrana electrolítica y placas de difusión de gases.
Figura 1.13. Arquitectura de una celda PEM.
En contra de lo que en un principio podría pensarse, los electrodos de un conjunto MEA no se fabrican como tales para las celdas PEM. Se trata en realidad de un complicado proceso de unión entre el material de los electrodos, la membrana polimérica y el catalizador, y afirmar que estos componentes existen por separado resulta admisible solo
a i el didá ti o, a ue e ealidad se e ue t a i p eg ados u os so e ot os.
El modo de construir un conjunto MEA depende del fabricante, pero se puede decir que una de las formas de fabricación más estandarizada se lleva a cabo en Los Álamos National Laboratory [1.17].
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA 22 La Figura 1.14 representa la estructura porosa de estas capas y como se sitúan en el esquema general de la celda.
Figura 1.14. Esquema de las Capas de Difusión de Gases. Los gases reactantes penetran en el apilamiento y se distribuyen uniformemente por la mayor parte de la superficie de los
electrodos catalizados.
Las GDLs son fundamentales para el funcionamiento de las celdas de combustible, y cumplen básicamente cuatro funciones:
Facilitar la difusión del gas hasta los electrodos.
Capa difusora de
gases del ánodo
Capa difusora de
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA 23 Soportar mecánicamente el conjunto MEA3.
Ofrecer un camino de salida del ánodo y entrada al cátodo a los electrones. Extraer el agua producto de la reducción en el cátodo.
Estas capas de difusión están situadas entre las placas bipolares, y los electrodos catalizados, de manera que su naturaleza porosa asegure una difusión efectiva de cada gas reactivo en el catalizador. La difusión se refiere al flujo de moléculas gaseosas desde la zona de alta concentración, en el lado exterior de la GDL, por donde fluye el gas reactante, hacia la región de menor concentración, el lado interior de la capa de difusión pegada a la capa del catalizador donde el gas es consumido en la reacción. Se trata, pues, de conseguir que los gases reactantes se distribuyan de tal manera que consigan alcanzar la superficie completa del catalizador y, de este modo, aprovechar al máximo su superficie.
Las capas de difusión también contribuyen en la gestión del agua de la pila. Tanto un déficit como un exceso de agua pueden hacer que el dispositivo deje de funcionar. De la elección de un buen material depende que la cantidad de agua de la PEM sea la adecuada para lograr que la membrana se mantenga hidratada, permitiendo también que el agua líquida producida en el cátodo sea expulsada de la celda sin llegar a inundarla.
Las capas de difusión están a menudo impermeabilizadas con Teflón para intentar asegurar que la mayoría de los poros del carbono del que están hechas las Capas de Difusión no se inunden de agua, lo que impediría una correcta velocidad de reacción de los gases en los electrodos.
1.7. Placas bipolares
Al ser el objetivo de esta tesis la realización del análisis de los esfuerzos de origen térmico y mecánico en la placa bipolar de las pilas de combustible tipo PEM, se procederá en este capítulo a describir de forma detallada este componente.
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA 24 Sus principales funciones imponen los requisitos o características principales que deben tener los materiales, tal como se muestra en la tabla siguiente.
Tabla 1.2 Funciones de las placas bipolares y requisitos necesarios de los materiales
Función Característica del material
Conectar eléctricamente celdas adyacentes Material buen conductor eléctrico Distribuir eficientemente los gases sobre
los electrodos a través de los canales y favorecer la evacuación del agua
Fácilmente conformables, para poder crear las geometrías de canal óptimas.
Extraer el calor generado en las áreas activas
Material buen conductor térmico
Dar soporte estructural a los electrodos sin incrementar excesivamente el peso
Materiales rígidos, resistentes a la compresión y ligeros
Separar gases de celdas adyacentes Estabilidad química e impermeabilidad
La cara de la placa bipolar situada junto a la capa de difusión de gas está dotada de unos canales situados sobre su superficie. Estos canales transportan el gas reactante a lo largo y ancho de toda la superficie de la capa difusora correspondiente .
Ta to el diseño de estos a ales esta pados , o o su anchura y profundidad tienen un efecto muy importante en la distribución uniforme de los gases sobre la superficie catalizada del MEA, así como en el suministro y evacuación del agua en todo el dispositivo.
Figura 1.15. Estructura básica de la celda de combustible tipo PEM.
Canales en serpentín
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA 25
1.7.1. Topologías de canales
A continuación, se describen tres topologías empleadas habitualmente en el diseño de los canales de las placas bipolares.
1.7.1.1. Canales en serpentín
El canal o los canales recorren de un extremo a otro de la celda formando un serpentín. De esta manera, se busca maximizar longitud de los canales garantizando un flujo elevado de gas en toda la GDL, facilitando con ello la extracción de agua. Sin embargo, los sistemas de serpentín simple, formados con un solo canal, en áreas activas muy grandes, presentan problemas de caída de presión a lo largo del canal, . Este problema puede evitarse empleando varios canales (serpentín múltiple) en paralelo. Se han realizado estudios de las dimensiones adecuadas de los canales de serpentín, obteniéndose valores óptimos cercanos a los 1.5mm de ancho, 1.5mm de profundidad y el menor valor posible de anchura de la costilla [1.18].
Dado que se busca un flujo elevado del gas de hidrógeno en la superficie del área activa, se opta esta tipología de canales para el diseño de la placa bipolar.
Figura 1.16. Diseño de placa bipolar con canales en serpentín. Fuente: LARMINIE, J., DICKS,
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA 26
1.7.1.2. Canales paralelos
Los canales, dispuestos en paralelo distribuyen los gases de un extremo a otro de la celda. Su característica fundamental es que mantienen homogénea la presión de la celda. Sin embargo, tienen dificultades en mantener homogéneo el flujo, llegándose en algunos diseños a tener un flujo casi inexistente en algunos puntos, lo cual puede ser muy negativo para la evacuación del agua producida. Se han obtenido estructuras de canales paralelos empleando materiales de gran ligereza, tales como láminas metálicas moldeadas.
Figura 1.17. Diseño de placa bipolar con canales paralelos. Fuente: LARMINIE, J., DICKS, A.
Fuel Cell “ ste s E plai ed . John Whiley and sons. 2003.
A este respecto, la placa bipolar propuesta para el diseño, llevará esta tipología de canales paralelos, para la distribución del oxígeno (cátodo)
1.7.1.3. Canales interdigitados.
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA 27 fuerte resistencia a la difusión que encuentran el gas y el agua. Por este motivo, esta topología suele emplearse en los ánodos.
Figura 1.18. Diseño de placa bipolar con canales interdigitados. Fuente: LARMINIE, J.,
DICK“, A. Fuel Cell “ ste s E plai ed . Joh While a d so s. 2003.
1.8. Sistemas auxiliares de una celda de combustible
Como es de esperar, un stack completo de celdas de combustible para producir electricidad, además de las celdas de combustible básicas, deben tener otros sistemas para su correcto funcionamiento. En su diseño y construcción se considera los requerimientos de las condiciones de operación de la celda de combustible.
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA 28
Figura 1.19. Esquema de sistemas auxiliares del stack.
1.9.
Stack de celdas de combustible
La mayoría de las celdas de combustible, tipo PEM, consisten en una estructura del apilado formado por las placas bipolares o placas con campos de flujo. Una cara de una placa bipolar forma el compartimiento del ánodo de una celda unitaria y el otro lado es el compartimiento del cátodo de la celda unitaria adyacente. El voltaje total de un apilado es determinado por el número de celdas unitarias y la corriente por el área activa de cada una de las celdas unitarias.
La eficiencia eléctrica de un stack depende mucho de la tensión a la cual cada monocelda opera. Pues los voltajes requeridos para los usos prácticos exceden por mucho el voltaje de la celda unitaria. Ya que la demanda requiere voltajes mucho más altos que esto, (por ejemplo, los motores eléctricos comerciales funcionan normalmente entre 200 a 300 volts). Por lo que, el voltaje requerido se obtiene, construyendo un apilado y conectado en serie las celdas de combustible individuales e integradas mecánicamente.
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA 29 En cuanto al combustible de una celda de alta tecnología necesita 1 m3de hidrógeno puro
para producir 1.8 a 1.9 kW, de los cuales alrededor de 0.50 y 0.80 kW (entre un 30% y un 40%), se pierden en el proceso de funcionamiento, siendo la producción media efectiva por cada metro cúbico de hidrógeno de 1,30Kw.
1.10.
Planteamiento del problema.
El estudio de este trabajo se centra en un análisis térmico - mecánico de la placa bipolar de una celda tipo PEM de aplicación automotriz, dicha celda tiene las siguientes características técnicas:
Potencia: 200 W.
Voltaje a circuito abierto: 12 V. Número de celdas unitarias: 18. Corriente total: 16.666 A.
Temperatura de operación: 100°c. Densidad de corriente: 0.35 A/cm2.
A continuación se muestra el diagrama del sistema de potencia del vehículo con la celda de combustible integrada.
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA 30 Los elementos de interés en este trabajo son dos: el primero es la MEA; en cuanto a este elemento, solo se lleva a cabo su selección en base a ciertos criterios, ya que su fabricación, como se mencionó anteriormente, consiste en un complicado proceso de fabricación, que varía según el fabricante, y en cuanto a la elección, de los dos tipos de
MEA s, la 3 y la 5, de las que ya se comentó, se ha seleccionado una MEA 5, ya que esta lleva integrada las capas difusoras de gas en una sola unidad, lo cual ayuda a la eficiencia de la celda, ya que se evita el problema de integrar como elementos separados las GDL s. Y el segundo elemento y de mayor relevancia en este trabajo, es la placa bipolar, estas deben ser consideradas como algo más que unas simples estructuras de placas conductoras y acanaladas que distribuyen los gases hacia la membrana, y proporciona los contactos eléctricos necesarios. La razón por la cual el análisis se centra en esos dos elementos, es que el dimensionado de ambos depende del área activa, que es la superficie de contacto entre ambos elementos.
El material del que está hecha la placa bipolar es grafito de la marca POCO, debido a que este tipo de grafito es isotrópico, a diferencia del grafito convencional que es aniso trópico.
Las características mecánicas de la placa bipolar son las siguientes [1.19]:
Densidad: 1.90 g/cm3.
Dureza Rockwell (HRB 10/40): Mayor a 100. Resistencia a la compresión: 50 MPa. Resistencia a la flexión: 40 MPa. Módulo de Young: 10 GPa.
Coeficiente de expansión térmica (20-140°c): 10-6/K.
Y tiene las siguientes dimensiones, las cuales se identifican con números, en la figura 1.21 de la placa bipolar.
Tabla 1.3. Dimensiones de la placa bipolar.
Parámetro Magnitud (mm)
a) Área activa de la placa bipolar (MEA) 70.8 X 70.8
b) Largo total de placa 120
c) Ancho total de placa 90
d) Espesor de placa 5
e) Diámetro de barrenos Ɵ1 6
f) Ancho de canal 1.5
g) Profundo de canal 1.5
h) Separación entre canales (costilla) 1
i) Orificios de alimentación Ɵ2 3.25
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA 31
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA 32
Figura 1.22. Dimensiones de la placa bipolar, lado cátodo (distribución del oxígeno).
Para dimensionar la importancia de este elemento se hace énfasis en sus múltiples funciones [1.20]:
Proporciona las series de conexiones necesarias entre las pilas a través de la conducción de la corriente eléctrica entre una pila y otra y finalmente a las placas de cierre (Placa de cierre negativa y placa de cierre positiva).
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA 33 Es la responsable de cualquier transporte de gas entre pilas adyacentes.
Proporciona al conjunto, la suficiente rigidez mecánica con objeto de garantizar una fuerza de co p esió e t e los ele e tos ue fo a el sta k ue eli i e las fugas de gas que circula en el perímetro de las pilas.
Proporciona el contacto entre los líquidos refrigerantes con objeto de extraer el calor de los electrodos de las pilas en ausencia de placas refrigeradoras.
Uno de los fenómenos poco estudiados en el ámbito de las celdas tipo PEM es el efecto que ocasiona la presión externa de ensamble de la celda y el de la temperatura en el material. En muchas aplicaciones, la celda requiere de un precalentamiento para poder obtener de manera más rápida su máxima eficiencia. Esto, ocasiona que se generen gradientes térmicos que causan que el material del que está fabricada la celda experimente expansión térmica, misma que tiene como resultado la aparición de esfuerzos de la misma naturaleza, dando como consecuencia daños mecánicos como el que se muestra en la figura.
Figura 1.23. Daño tipo grieta por expansión térmica en placas bipolares.
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA 34 Por lo tanto, conociendo las funciones esenciales que tiene la placa bipolar en el buen desempeño de una celda tipo PEM y tomando en cuenta que en la actualidad este tipo de celdas están cobrando mucha importancia en la industria automotriz, resulta de vital importancia conocer la magnitud de los esfuerzos debidos a la expansión térmica en el material y a la presión externa. Dicho fenómeno cobra mayor importancia al tomar en cuenta que, el grafito es un material altamente frágil y de una resistencia mecánica limitada, en comparación con otros materiales comúnmente usados en ingeniería.
Por lo antes mencionado, el presente trabajo se enfoca principalmente a analizar dicha problemática de integridad estructural. El análisis se realizará tomando en cuenta dos casos: 1) esfuerzos generados por la expansión térmica del material. La temperatura máxima de operación es de 100° c, con una temperatura ambiente de 20 °c como referencia; 2) esfuerzos generados por la acción simultánea de la presión de ensamble de 544 kPa [3.8], y por la expansión térmica a una temperatura de 100 °c.
Esto se abordará haciendo uso de modernas herramientas de ingeniería, tal como lo es el programa de elementos finitos ANSYS 14.5 para análisis estructural.
1.11. Metodología.
La metodología constituye un procedimiento general para lograr de una manera precisa el objetivo de la investigación. De allí que los lineamientos bajo los cuales se realizó este trabajo permitieron confrontar y verificar la visión teórica del problema y los objetivos planteados, con los datos de la realidad.
La realización de este trabajo se apoya en diversas técnicas, tales como: revisión bibliográfica, recopilación de datos, planteamiento del problema, solución y análisis de resultados.
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA 35
Recopilación de información
Dimensionamiento de MEA y placa bipolar:
Se calcula el área activa
En base al área activa se hace la selección de una MEA comercial.
En base al área activa se dimensiona largo y ancho de la placa bipolar.
Se seleccionan espesores y tipología de canal óptimos.
Se importa el modelo en ANSYS se llevan a cabo 3 análisis:
Análisis térmico.
Análisis de esfuerzos mecánicos
Análisis debido a cargas térmicas y mecánicas simultaneas.
¿Los esfuerzos principales , y son menores que el esfuerzo
último a la tensión?
Obtención del modelo conceptual en CAD:
Para este efecto se utilizó el programa AutoCAD 2006.
Si
FINAL
No
INICIO
