Centro de Investigación Científica de Yucatán, A.C ... · A mi padre por todo el esfuerzo y...
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Centro de Investigación Científica de Yucatán, A.C. Posgrado en Energía Renovable “Desarrollo de un generador de electricidad basado en una pila de celdas de combustible de alcohol directo” Tesis que presenta Francisco Javier Del Rio Rivera En opción al título de MAESTRO EN CIENCIAS EN ENERGÍA RENOVABLE Mérida, Yucatán Septiembre de 2012
Transcript of Centro de Investigación Científica de Yucatán, A.C ... · A mi padre por todo el esfuerzo y...
Centro de Investigación Científica de Yucatán, A.C.
Posgrado en Energía Renovable
“Desarrollo de un generador de electricidad basado en una pila de celdas de
combustible de alcohol directo”
Tesis que presenta
Francisco Javier Del Rio Rivera
En opción al título de
MAESTRO EN CIENCIAS EN ENERGÍA
RENOVABLE
Mérida, Yucatán Septiembre de 2012
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DECLARACIÓN DE PROPIEDAD
Declaro que la información contenida en las secciones de materiales y métodos y
resultados y discusión de este documento proviene de las actividades de experimentación
realizadas durante el período que se me asignó para desarrollar mi trabajo de tesis, en las
Unidades y Laboratorios del Centro de Investigación Científica de Yucatán, A. C., y que
dicha información les pertenece en términos de la Ley de la Propiedad Industrial, por lo
que no me reservo ningún derecho sobre ello.
Mérida, Yucatán, 2012
Ing. Francisco Javier Del Rio Rivera
iii
iv
La presente tesis se realizó en los laboratorios de la Unidad de Energía Renovable, del
Centro de Investigación Científica de Yucatán, A.C. bajo la dirección del Dr. Luis Carlos
Ordóñez López.
Dr. Oscar A. Moreno Valenzuela Director Académico
Centro de Investigación Científica de Yucatán, A.C.
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vi
Agradecimientos.
Al CONACYT por la beca otorgada.
Al proyecto FORDECYT-LENERSE- 116157 por el financiamiento de los materiales
necesarios para la construcción de la celda.
A mi padre por todo el esfuerzo y apoyo que me brindó a lo largo de su vida.
A mi familia y mi compañera por su apoyo y cariño incondicional.
A mis amigos que me enseñaron, con quienes aprendí y crecí como persona y como
profesionista.
Al Dr. Luis Carlos Ordóñez López, por darme la oportunidad de trabajar en este proyecto y
por su apoyo durante el desarrollo del mismo.
Al M.C. Genaro Antonio Soberanis Monforte por la capacitación en la programación CNC.
Al Br. José Pablo Martínez Bazán por su apoyo en el diseño y construcción del sistema de
control.
Al Br. Ángel Eduardo Cárdenas Herrera por su apoyo para la caracterización en Ansys
Fluent.
Al Br. Samuel por su apoyo en la optimización del sistema de control y elaboración de las
pruebas de caracterización.
Al Br. Oscar Gerardo Maya por su apoyo en el maquinado y elaboración de planos.
Al Ing. Gustavo Ernesto Martínez Tapia por el soporte técnico en el laboratorio.
Al M.C. Enrique Escobedo Hernández por su apoyo y soporte técnico en el laboratorio.
Al departamento de instrumentación por el apoyo en la manufactura y fabricación de
piezas.
A la Unidad de Energía Renovable del CICY por las instalaciones prestadas para
desarrollar los experimentos.
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i
ÍNDICE
CAPÍTULO 1 INTRODUCCIÓN ...................................................................................... 1
1.1 Celdas de combustible ........................................................................................ 2
1.2 Tipos de celdas de combustible ........................................................................... 3
1.2.1 Celdas de combustible PEM ......................................................................... 4
1.2.2 Celdas de combustible de alcohol directo DAFC. ......................................... 5
1.3 Celdas de combustible de etanol directo ............................................................. 6
1.4 Componentes de una celda de combustible de etanol directo ............................. 8
1.4.1 Membrana .................................................................................................. 10
1.4.2 Catalizadores.............................................................................................. 11
1.4.3 Difusores .................................................................................................... 12
1.4.4 Ensamble electrodo membrana electrodo (EME) ........................................ 12
1.4.5 Platos bipolares .......................................................................................... 14
1.4.6 Sistema de sellos ....................................................................................... 15
1.5 Curvas de polarización ...................................................................................... 16
1.6 Variables de operación ...................................................................................... 18
1.6.1 Temperatura ............................................................................................... 18
1.6.2 Presión ....................................................................................................... 18
1.6.3 Humedad .................................................................................................... 20
1.1 Problemáticas de las celdas de etanol directo ................................................... 21
1.1.1 Permeación de etanol ................................................................................. 21
1.1.2 Efecto del CO2 generado en el ánodo. ........................................................ 21
1.2 Pilas de celdas de combustible (PCC). .............................................................. 21
CAPÍTULO 2 ANTECEDENTES ................................................................................... 24
2.1 Aspectos generales ........................................................................................... 25
2.2 Aspectos mecánicos .......................................................................................... 26
2.2.1 Platos finales .............................................................................................. 26
2.2.2 Campos de flujo (modelo de flujo dos fases) .............................................. 29
2.2.3 Diseño: CFD (dinámica de fluidos computacional) y FEA (análisis de
elemento finito) ......................................................................................................... 29
2.2.4 Propiedades mecánicas del grafito ............................................................. 30
2.2.5 Ensamble de la PCC .................................................................................. 31
ii
2.3 Aspectos de control ........................................................................................... 32
2.3.1 Electrónica de control ................................................................................. 32
CAPÍTULO 3 METODOLOGÍA ..................................................................................... 34
3.1 Procedimiento. ................................................................................................... 35
3.2 Requerimientos de la PCC ................................................................................ 37
3.3 Platos bipolares ................................................................................................. 37
3.3.1 Mallado ....................................................................................................... 37
3.3.2 Modelos ...................................................................................................... 39
3.3.3 Condiciones de frontera .............................................................................. 39
3.3.4 Prototipos de platos bipolares. .................................................................... 39
3.3.5 Fabricación de los platos bipolares ............................................................. 42
3.4 Platos Finales .................................................................................................... 43
3.4.1 Prototipos de platos finales ......................................................................... 43
3.4.2 Deformación unitaria ................................................................................... 45
3.4.3 Fabricación del plato final. .......................................................................... 47
3.5 Fabricación del ensamble EME ......................................................................... 47
3.5.1 Tinta catalítica ............................................................................................ 47
3.5.2 Electrodos .................................................................................................. 48
3.5.3 Membrana .................................................................................................. 48
3.5.4 Ensamble electrodo membrana (EME) ....................................................... 48
3.6 Sistema de sellos............................................................................................... 48
3.7 Colectores de corriente ...................................................................................... 49
3.8 Ensamblaje de la PCC de etanol directo. ........................................................... 50
3.9 Sistema de control ............................................................................................. 52
3.9.1 Alimentación del sistema. ........................................................................... 52
3.9.2 Amplificador de señales. ............................................................................. 53
3.9.3 Emisor/receptor. ......................................................................................... 55
3.9.4 Control de resistencias calefactoras. .......................................................... 55
3.9.5 Enfriamiento por ventilación. ....................................................................... 56
3.9.6 Control de motor con Puente H .................................................................. 57
3.9.7 Monitoreo de potencial y corriente de la celda ............................................ 58
3.9.8 Diseño del circuito de control ...................................................................... 59
iii
3.10 Montaje de pruebas de la PCC. ......................................................................... 62
CAPÍTULO 4 RESULTADOS ....................................................................................... 64
4.1 Análisis de CFD para las geometrías de campos de flujo propuestos. ............... 65
4.1.1 Prototipo A21 .............................................................................................. 65
4.1.2 Prototipo A22 .............................................................................................. 66
4.1.3 Prototipo A23 .............................................................................................. 67
4.1.4 Prototipo A24 .............................................................................................. 68
4.2 Análisis de deformación en los platos finales ..................................................... 70
4.1 Cálculo de compresión elástica y torque de ensamble. ..................................... 73
4.2 Gradiente de temperatura. ................................................................................. 74
4.3 Caracterización .................................................................................................. 76
4.3.1 Efecto de la temperatura en el desempeño ................................................ 76
4.3.2 Efecto del flujo en el desempeño ................................................................ 78
4.3.3 Prueba de impedancia ................................................................................ 80
4.4 Discusión general .............................................................................................. 83
CONCLUSIONES ............................................................................................................ 85
PERSPECTIVAS ............................................................................................................. 88
APÉNDICE I .................................................................................................................... 90
Ecuaciones para el cálculo de torque en los tornillos de la pila de combustible. ........... 91
Cálculo de la rigidez ................................................................................................. 91
Cálculo del torque de apriete .................................................................................... 92
APÉNDICE II ................................................................................................................... 94
Programas en código G para el maquinado de los componentes de la celda en CNC. 95
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS .............................................................................. 103
iv
Listado de abreviaturas
PCC Pila de celdas de combustible
DEFC Direct ethanol fuel cell (celda de combustible de etanol directo)
PEM Proton exchange membrane (membrana de intercambio protónico)
EME Ensamble electrodo membrana electrodo
ERH Electrodo de referencia de hidrógeno
FTIR Fourier transform infrared spectroscopy (espectroscopia de infrarrojo por
trasnformada de Fourier)
EDM Electrical discharge machining (maquinado por descarga eléctrica)
DAQ Data adquisition (tarjeta de adquisición de datos)
CFD Computational fluid dynamics (dinámica de fluidos computacional)
FEA Finite element analysis (método de elemento finito)
CAD Computer aided design (diseño asistido por computadora)
CNC Control numérico computacional
A21…A24 Prototipos de campos de flujo para el ánodo
UX, UY, UZ Desplazamientos en X, Y, Z.
RTD Resistance temperature detector (detector de temperatura por resistencia)
TTL Transistor transistor logic (lógica transistor transistor)
TRIAC Triodo para corriente alterna
SW1 Interruptor
cd Corriente directa
ca Corriente alterna
T Temperatura de la celda
A Área activa de cada celda
Jmax Densidad de corriente de intercambio máxima (A cm-2)
J Densidad de corriente de intercambio (A cm-2)
Re Resistencia equivalente al paso de electrones
Rp Resistencia equivalente al paso de protones
F Constante de Faraday
R Constante de los gases
v
Listado de tablas
Tabla 1-1. Características de las diferentes celdas de combustible ................................... 3
Tabla 1-2 Densidades de energía de diferentes combustibles. .......................................... 5
Tabla 2-1 Propiedades mecánicas del grafito .................................................................. 30
Tabla 3-1. Requerimientos para el diseño de la PCC. ...................................................... 37
Tabla 3-2. Propiedades físicas de los reactantes para la simulación de los campos de
flujo. ................................................................................................................................. 39
Tabla 3-3. Características geométricas de los prototipos de platos bipolares. ................. 40
Tabla 3-4. Características geométricas de los diseños propuestos .................................. 44
Tabla 3-5. Amplificación de potenciales para la etapa de acondicionamiento de señales
analógicas de temperatura y presión. .............................................................................. 55
Tabla 4-1. Valores de caídas de presión. ......................................................................... 70
Tabla 4-2. Desplazamientos máximos de deformación para los diferentes diseños de
platos finales. ................................................................................................................... 71
Tabla 4-3. Cálculo de la constante de rigidez para el ensamble de la PCC. .................... 73
Tabla 4-4. Calculo del torque para el ensamble de la pila. ............................................... 74
Tabla 4-5. Propiedades térmicas y geométricas de los componentes de la PCC. ............ 76
Tabla 4-6 Condiciones de operación de la PCC. .............................................................. 76
Tabla 4-7. Valores de desempeño de la PCC a diferentes temperaturas. ........................ 77
Tabla 4-8. Valores de desempeño de la PCC a diferentes flujos. .................................... 79
Listado de figuras
Figura 1-1. Celda electroquímica de Groove . .................................................................... 2
Figura 1-2. Celda de combustible con electrolito de membrana polimérica . ...................... 4
Figura 1-3. Celda de combustible DEFC ........................................................................... 6
Figura 1-4. Mecanismos de electro-oxidación del etanol en la superficie del Pt en medio
ácido. ................................................................................................................................. 7
Figura 1-5.-Formación de peróxidos en la reducción del oxígeno en el cátodo ................. 8
Figura 1-6. Arquitectura de la celda de combustible DEFC. ............................................... 9
Figura 1-7. Estructura del Nafion® .................................................................................. 10
Figura 1-8. Catalizador Pt/Ru soportado en carbono. ..................................................... 11
Figura 1-9. a) Hojas de papel carbón, b) fibras de papel carbón ..................................... 12
Figura 1-10. Ensamble EME. ........................................................................................... 13
Figura 1-11. Región de ensamble electro-membrana ...................................................... 13
Figura 1-12. Diseños de canales de flujo: a) paralelo, b) mallado, c) entrelazado, d)
serpentín .......................................................................................................................... 14
Figura 1-13. Pérdidas características en las celdas PEM ................................................ 16
Figura 1-14. Caída de presión en el ánodo a diferentes flujos de metanol ....................... 19
Figura 1-15 Curva de desempeño de una PCC a diferentes valores de humedad relativa
en el cátodo ..................................................................................................................... 20
vi
Figura 1-16. Esquema de una PCC ................................................................................. 22
Figura 1-17. Topologías de alimentación de reactantes en las PCC ............................... 22
Figura 2-1. Caída de presión a un cierto número de celdas ............................................. 25
Figura 2-2. Coeficientes para el escalamiento de celdas de combustible......................... 26
Figura 2-3. Plato final para una celda tipo PEM de 5kW .................................................. 27
Figura 2-4. Plato final para una celda tipo PEM de 50 x 50 mm: a) Simulación, b) Película
........................................................................................................................................ 28
Figura 2-5. Contornos de deformación platos finales en celda PEM de 50x50mm .......... 28
Figura 2-6. Esquema de las fuerzas que actúan en el ensamble de la PCC .................... 31
Figura 2-7. Configuración del sistema integrado .............................................................. 33
Figura 3-1. Esquema de la metodología de fabricación de la PCC de etanol directo. ...... 36
Figura 3-2. Sectores de análisis en el mallado de la vena líquida. ................................... 38
Figura 3-3. Corte transversal a la malla de los canales de flujo individuales. ................... 38
Figura 3-4. Dimensiones generales de los modelos de platos bipolares propuestos. ....... 40
Figura 3-5. Prototipos del canal de flujo en el plato bipolar para el ánodo de la PCC de
etanol directo. A) Modelo A21, B) Modelo A22, C) Modelo A23, D) Modelo A24. ............. 41
Figura 3-6. Prueba de campos de flujo en platos de acrílico. ........................................... 42
Figura 3-7. Platos bipolares de grafito maquinados con los canales de flujo para ánodo y
cátodo. ............................................................................................................................. 43
Figura 3-8. Diferentes diseños de platos finales. .............................................................. 44
Figura 3-9. Zona de restricción de desplazamiento X-Y-Z................................................ 46
Figura 3-10. Distribución de las fuerzas de compresión en el perímetro del barreno. ...... 46
Figura 3-11. Plato final de acrílico (acotación en mm). ..................................................... 47
Figura 3-12. Fabricación películas de silicón. .................................................................. 49
Figura 3-13. Colectores de corriente derecho y anverso. ................................................. 49
Figura 3-14. Diseño CAD de la PCC. ............................................................................... 50
Figura 3-15. Guías para el ensamble de la PCC. ............................................................. 51
Figura 3-16. PCC ensamblada. ........................................................................................ 51
Figura 3-17. Esquema del sistema de control. ................................................................. 52
Figura 3-18. Fuentes de alimentación 12 V, -12 V y 5 V. ................................................. 53
Figura 3-19. Simulación en Proteus® del acondicionamiento del sensor LM35. .............. 53
Figura 3-20. Configuración del acondicionamiento de los RTD. ....................................... 54
Figura 3-21. Configuración del emisor/receptor. .............................................................. 55
Figura 3-22. Optoacoplamiento DC/AC para la activación de las resistencias calefactoras.
........................................................................................................................................ 56
Figura 3-23. Optoacoplamiento DC/DC para el control de los ventiladores de enfriamiento.
........................................................................................................................................ 57
Figura 3-24. Configuración del puente H para la activación del motor a pasos ................ 58
Figura 3-25. Simulacion en LiveWire del sistema de medición de corriente. .................... 59
Figura 3-26. Módulos que componen la placa de control diseño en PCBwizard®. ........... 59
Figura 3-27. Placa de control con los componentes electrónicos. .................................... 60
Figura 3-28. Diseño del gabinete de control ..................................................................... 60
vii
Figura 3-29. Arreglo de fusibles para las resistencias y el ventilador principal ................. 61
Figura 3-30. Caracterización del sensor de temperatura RTD. ........................................ 62
Figura 3-31. Montaje para la prueba de la celda. ............................................................. 63
Figura 4-1. Perfil de velocidad en el prototipo A21 (m∙s-1). ............................................... 65
Figura 4-2. Perfil de velocidades en las curvas del prototipo A21 (m∙s-1). ........................ 66
Figura 4-3. Simulación del modelo A22, con estancamiento en los bordes (gráfica de
contorno del flujo). ........................................................................................................... 67
Figura 4-4. Modelado en CAD de una celda de combustible. ........................................... 67
Figura 4-5. Perfil de velocidades en prototipos propuestos (corte transversal del campo de
flujo). ................................................................................................................................ 68
Figura 4-6. Gráfica de caída de presión en el prototipo A24. ........................................... 69
Figura 4-7. Perfil de caída de presión en el prototipo A24 (kPa).¡Error! Marcador no
definido.
Figura 4-8. Gráficas de contorno de los desplazamientos. ............................................... 70
Figura 4-9. Vectores de desplazamiento unitario. ............................................................ 71
Figura 4-10. Gráfica de deformación vista lateral. ............................................................ 72
Figura 4-11. Transferencia de calor en la PCC. ............................................................... 75
Figura 4-12 Curvas de desempeño de la PCC a diferentes temperaturas. ....................... 77
Figura 4-13 Curva de desempeño a diferentes valores de flujo. ...................................... 78
Figura 4-14. Diagrama de Niquist para el espectro de impedancia de la PCC. ................ 80
Figura 4-15. Circuito equivalente de la PCC. ................................................................... 81
Figura 4-16. Grafica de Nyquist para una PCC de etanol directo. .................................... 82
Figura 4-17. Ajuste de círculo electroquímico para conocer Rpol. ..................................... 82
Figura I-1. Esquema del modelo para calcular la fuerza de compresión .......................... 91
viii
Resumen
En el desarrollo de este trabajo se construyó un prototipo de pila de celdas de combustible
de etanol directo y su sistema de control electrónico, empleando tres etapas principales
las cuales fueron el diseño y simulación por computadora de los componentes para
conocer su comportamiento, la fabricación de las piezas y la evaluación del desempeño.
En la etapa de diseño se propusieron cuatro modelos de platos bipolares con diferentes
geometrías de campos de flujo. Asimismo, se diseñaron cuatro modelos de platos finales
con diferentes geometrías y toda la pila de celdas de combustible (PCC) pieza por pieza.
Posteriormente, se diseñó un sistema de control electrónico que monitorea y controla las
variables de operación.
Para la etapa de simulación se emplearon programas de cómputo que permitieron evaluar
el comportamiento de los diseños propuestos. Se empleó Ansys® Fluent para analizar la
dinámica de los fluidos en los canales del plato bipolar anódico, perfiles de velocidad,
régimen de flujo, presión dinámica y estática. Para conocer el comportamiento mecánico
de los platos finales sometidos a esfuerzos de compresión se empleó Ansys® APDL con el
cual fue posible conocer la deformación de los platos en función a la distribución de los
esfuerzos y la geometría de cada modelo. En cuanto al sistema de control, se simularon
los circuitos electrónicos en Proteus® y Livewire® para prever posibles errores de diseño.
Una vez que fueron analizados los resultados de cada simulación, se seleccionó el mejor
modelo de plato bipolar y de plato final. Para la fabricación de los platos bipolares se
desarrolló un proceso de diferentes etapas que consistió en la preparación de la pieza,
acabado espejo y técnicas de maquinado asistido por computadora. Asimismo, se
integraron nuevos desarrollos de sellos con la tecnología que se ha investigado y ha sido
desarrollada en prototipos anteriores en el laboratorio. Finalmente, se realizó el
ensamblaje de la PCC integrando las piezas fabricadas e instalando resistencias de
calentamiento y sensores de temperatura.
El sistema que controla las variables de operación de la PCC fue integrado en un gabinete
que incluye fuentes de alimentación de 5 V, 12 V y -12 V, una tarjeta electrónica que se
diseñó para acondicionar las señales de los sensores de temperatura, presión y humedad,
optimizando el número de entradas y salidas analógicas conectadas a la tarjeta de
adquisición de datos DAQ. Las señales adquiridas por la DAQ se enviaron a una
computadora y fueron monitoreadas empleando una interfaz de indicadores y controles
programada en LabView®. Se instalaron fusibles para proteger las resistencias
calefactoras, los ventiladores de enfriamiento, las fuentes de alimentación y los sensores.
Para la llevar a acabo las pruebas electroquímicas se integró el sistema de control de
operación con la PCC evaluando su desempeño bajo diferentes condiciones de
temperatura y caudal de los reactantes. Se realizaron voltamperometrías cíclicas para
ix
obtener las curvas de polarización y los valores máximos de potencial y densidad de
corriente. Aunado a esto se realizaron pruebas de espectroscopía de impedancia con
barrido de frecuencia para determinar la resistencia y conocer el circuito eléctrico
equivalente.
Abstract
Direct Ethanol Fuel Cells (DEFC) are devices in which the chemical energy of a low
molecular alcohol is directly converted into electrical power through electrochemical
reactions. In this work it has been carried out the design and simulation of different flow
channels configurations using computational fluid dynamics. From simulation results a
triple serpentine architecture was selected. The MEA (electrode-membrane-electrode
assembly) consisted of PtRu/C electrocatalyst layers in anode and cathode sides, Nafion
® 117 membrane as electrolyte, carbon paper as the diffuser of reactants and graphite for
the bipolar plates. The catalytic area was of 64 cm2. The stack consisted of ten cells.
Structural strength analyses of end plates were carried out. In addition, it was
implemented an electronic system of monitoring and control supported by fuzzy logic
algorithm in order to evaluate the operating parameters of the stack such as temperature,
pressure, humidity and flow rate. The maximum power density registered was 5.7 W. The
prototype is based on the prior development of a mono-cell of ethanol which technology
was obtained in the Renewable Energy Laboratory.
1
CAPÍTULO 1 INTRODUCCIÓN
2
1.1 Celdas de combustible
El campo de la electroquímica fue descubierto en 1791 por Luigi Galvani mientras
realizaba la disección de una rana, cuando al tocar un nervio de la pierna con un
escalpelo el músculo se contrajo. Nueve años después Alessandro Volta reportó a la Real
Sociedad de Londres que al poner una membrana entre un plato de zinc y otro de plata y
humedecerla con agua salada, se generaba una corriente eléctrica que pasaba de un
plato al otro a través de un circuito externo convirtiendo la energía química en energía
eléctrica. En 1832, Michael Faraday propuso que el flujo de electrones en un circuito
externo está directamente relacionado con el flujo de especies cargadas que pasan a
través del electrolito. En 1839, William Groove demostró que cuando se alimentan dos
electrodos de platino, uno con hidrógeno y otro con oxígeno, y están separados por un
electrolito, se genera una corriente que pasa a través de un cable de un electrodo al otro,
figura 1-1 (1).
Figura 1-1. Celda electroquímica de Groove (1).
Estos descubrimientos del siglo XIX abrieron paso a importantes contribuciones tomando
como tema central el análisis del comportamiento de los iones en una solución acuosa y
en electrolitos sólidos.
La conversión de energía química a eléctrica está definida por una reacción espontánea
en una celda electroquímica alimentada con un combustible y un oxidante. Las reacciones
entre éstas dos substancias generan electricidad, calor y subproductos.
A partir de 1839, se diseñaron nuevas formas de convertir la energía utilizando soluciones
ácidas como electrolitos y membranas poliméricas de intercambio de protones. Asimismo,
se desarrollaron celdas de combustible con electrolito alcalino para fabricar plantas de
potencia de hasta 1.5 kW. Fue hasta 1952 que se dio a conocer la aplicación de una celda
de combustible tipo alcalina como fuente auxiliar de potencia en el proyecto Apollo de la
NASA. Diez años más tarde General Electric Company presentó una celda de polímero de
intercambio protónico de 1 kW para el programa espacial Gemini. En los años noventa
Kordesch y Marko construyeron la primera pila de celdas de combustible de alcohol
directo, empleando metanol como combustible y acido sulfúrico como electrolito (2).
3
1.2 Tipos de celdas de combustible
Existen una gran variedad de celdas de combustible que se encuentran actualmente en
investigación y desarrollo. Se diferencian entre sí, por el tipo de combustible con el que
son alimentadas, el electrolito que utilizan y la temperatura de trabajo, estas
características determinan las reacciones que se llevan a cabo en los electrodos. Los
principales tipos de celdas de combustible son:
PEMFC: Celda de combustible con electrolito de membrana polimérica.
AFC: Celda de combustible alcalina.
PAFC: Celda de combustible de ácido fosfórico.
SOFC: Celda de combustible de óxido sólido.
MCFC: Celda de combustible de carbonatos Molten.
DAFC: Celdas de combustible de alcohol directo.
ZAFC: Celdas de combustible aire-zinc.
PCFC: Celdas de combustible cerámicas.
BFC: Celdas de combustible biológicas.
En la tabla 1-1 se muestran las diferencias entre los distintos tipos de celdas de
combustible (3).
Tabla 1-1. Características de las diferentes celdas de combustible (3). Celda PEMFC DAFC SOFC AFC PAFC MCFC ZAFC PCFC BFC
Combustible H2 CH-OH +H2O
CO, H2 H2 H2 H2/CO ZnO CO, H2 Carbohidratos
Oxidante O2 O2 O2 O2 O2 O2, CO2 O2 O2 O2
Electrolito Nafion Nafion YSZ KOH H3PO4 Li2CO3, Na2CO3
KOH BCY10 Fosfato
Espesor del electrolito
(m)
50-175 50-175 25-250 N/A N/A 500-1000 N/A 460 50-1000
Ion H+
H+
O2- OH
- H
+ CO3
2- OH
- O
2- H
+
Catalizador en ánodo
Pt Pt/Ru Ni/YSZ Pt o Ni
Pt Ni Zn Pt, Ni Enzima
Plato bipolar
Grafito, titanio, acero
inoxidable
Grafito, titanio, acero
inoxidable
LaCrO3, YcrO3,
N/A
Grafito, titanio, acero
inoxidable
Acero inoxidable
N/A Acero
inoxidable
Grafito, titanio, acero
inoxidable
Temperatura °C
20-100 20-100 600-1000
20-250
150-220 620-660 700 500-700 20-25
Eficiencia % 58 40 65 64 42 50 60 55-65 40
A pesar de que las desventajas más importantes en las celdas de combustible son los
costos de fabricación y de operación, la eficiencia de estas tecnologías es mayor en
comparación con las máquinas de combustión interna cuya eficiencia es cercana al 25 %.
Cuando se emplea hidrógeno como combustible en las celdas tipo PEM, no hay emisión
de gases generados como subproductos de la reacción, por lo que la energía producida
4
es menos contaminante. Sin embargo, deben considerarse el CO2 producido por la
obtención del hidrógeno a partir de recursos fósiles y los residuos que se generan en la
fabricación de estos sistemas de generación eléctrica (4).
1.2.1 Celdas de combustible PEM
Estas celdas cuentan con un electrolito de membrana polimérica que además tiene
características de aislante eléctrico, evitando un corto circuito entre los dos electrodos.
Tienen una temperatura de operación baja, en el rango de 60 a 80 °C, esto permite que el
tiempo de puesta en marcha sea rápido. El sistema de sellos, ensamble y operación es
menos complicado que otros tipos de celdas.
Las celdas PEM generan altas densidades de energía, característica que las hace
atractivas para su aplicación en dispositivos portátiles. Están diseñadas para trabajar con
hidrógeno principalmente, sin embargo, se pueden emplear otros combustibles líquidos
como el metanol.
Estos sistemas consisten en un electrodo negativo (ánodo), un electrodo positivo (cátodo)
y una membrana polimérica que los separa, como se muestra en la figura 1-2.
Figura 1-2. Celda de combustible con electrolito de membrana polimérica (3).
El hidrógeno y el oxígeno son alimentados mediante canales de flujo y se emplea una
capa difusora de papel carbón para distribuir el fluido hacia la zona electro-catalítica. La
reacción electroquímica de oxidación en el ánodo, produce electrones que fluyen a través
a un circuito externo, mientras que los iones H+ atraviesan la membrana polimérica.
Cuando los electrones regresan del circuito externo, participan en la reacción
electroquímica de reducción de oxígeno en el cátodo formando agua y liberando calor.
5
El material del electrolito más empleado en las celdas tipo PEM es el Nafio®, producido
por DuPont para aplicaciones espaciales en 1960. Consiste en una membrana de
polímero fluorado que tiene alta estabilidad química y térmica.
Los electrodos se fabrican de papel o tela de carbón pintados con catalizador y Nafion®
líquido.
1.2.2 Celdas de combustible de alcohol directo DAFC.
En las últimas dos décadas se han hecho esfuerzos por desarrollar las celdas de
combustible de alcohol directo con la finalidad de sobrellevar las restricciones que
representa el manejo de hidrógeno por su difícil almacenamiento para la utilización en
celdas PEM. En este sentido las celdas DAFC (Direct Alcohol Fuel Cell) han sido
extensamente estudiadas y consideradas en la producción de energía para dispositivos
electrónicos, así como en aplicaciones de transporte vehicular (5).
Algunos alcoholes de bajo peso molecular como el metanol y el etanol, pueden ser
empleados como combustibles en una celda PEM debido a que tienen una alta densidad
de energía.
En la tabla 1-2 es posible observar que el etanol tiene una densidad de energía por
unidad de volumen mayor con respecto a los otros combustibles.
Tabla 1-2 Densidades de energía de diferentes combustibles.
Combustible E°(V) We(kWh/kg) We(kWh/L)
Hidrógeno líquido 1.23 39 2.6
Hidrógeno gas 1.23 39 0.75
Metanol 1.21 6.1 4.8
Etanol 1.15 8 6.3
Comparándolo con el metanol es menos tóxico para el ser humano. Al ser un combustible
líquido no presenta problemas para su almacenamiento y tampoco es necesario generar
una nueva infraestructura de suministro, temas que en el caso del hidrógeno no se han
resuelto. Es fácil de producir y la tecnología para su obtención es bien conocida ya que ha
sido utilizada por cientos de años empleando la fermentación y destilación de materias
primas ricas en azúcares. Actualmente, el etanol obtenido a partir de celulosa y residuos
orgánicos es el combustible sostenible más utilizado a nivel mundial en el rubro de
transporte, usado principalmente como aditivo en la gasolina. Estas características hacen
del etanol un buen candidato para ser utilizado como combustible en celdas tipo PEM.
6
Con la finalidad de mejorar el rendimiento de este tipo de celdas es necesario encontrar
nuevos catalizadores más económicos, que permitan acelerar las lentas cinéticas de
electro-oxidación de los alcoholes en el ánodo y que sean selectivos en la liberación de
los protones de hidrógeno. Esto generará una menor contaminación de los electrodos y
por tanto incrementará el tiempo de vida de la celda.
1.3 Celdas de combustible de etanol directo
La celda de combustible de etanol directo DEFC, por sus siglas en inglés (direct etanol
fuel cell), es una variación de las celdas tipo DAFC (direct alcohol fuel cell). El etanol y
oxígeno son alimentados en la celda mediante canales que dirigen el flujo hacia el área de
reacción en cada electrodo. En el ánodo se lleva a cabo la reacción de electro-oxidación
del etanol, liberándose electrones y protones, los primeros viajan hacia el cátodo a través
de un circuito externo, mientras que las especies H+ migran a través de la membrana. En
el cátodo, el oxígeno del aire se reduce con los protones y electrones formando agua y
calor (figura 1-3).
Figura 1-3. Celda de combustible DEFC (6).
En el ánodo se alimenta una solución de etanol-agua mediante un canal de flujo, el
combustible se difunde a través del electrodo y llega al área de electro-catálisis donde se
lleva a cabo la electrooxidación produciendo CO2 y liberando doce protones y doce
electrones. Los electrones viajan hacia el cátodo a través de un circuito externo y los
protones migran a través de la membrana. En el cátodo los protones y los electrones
reaccionan con el oxígeno generando agua y calor.
7
La reacción de oxidación del etanol en el ánodo toma lugar de la siguiente manera.
CH3CH2OH + 3H2O 2CO2 + 12H+ + 12e
-
E0= 0.085 V vs ERH
Mientras que el cátodo (polo positivo) se lleva a cabo la reducción del oxígeno: O2 + 4 H
+ + 4e
- 2 H2O
E0= 1.229 V vs ERH
De tal manera que la reacción global se presenta como. CH3 CH2 OH + 3 O2 2 CO2 + 3 H2O E
0= 1.145 V vs ERH
Donde el valor de E0 representa el potencial estándar de oxidación con respecto al
electrodo estándar de referencia de hidrógeno (ERH).
Durante la reacción en el ánodo se generan diferentes rutas de oxidación. El proceso
inicia con la adsorción de etanol en la superficie del platino formando acetaldehído
(CH3COH), a potenciales < 0.8 V (RHE), en el cual sólo se transfieren dos electrones, el
acetaldehído es readsorbido para continuar su oxidación generando ácido acético
(CH3COOH), esta ruta tiene un grupo funcional acetil como intermediario.
Figura 1-4. Mecanismos de electro-oxidación del etanol en la superficie del Pt en medio ácido (6).
8
Para llevar a acabo la oxidación se requiere un átomo de oxígeno el cual es
proporcionado por la disociación de iones hidroxilo OH- producidos por la adsorción de las
moléculas de agua en la superficie del platino, aumentando la actividad de los
catalizadores y la selectividad hacia la formación de ácido acético y finalmente dióxido de
carbono, figura 1-4. A potenciales mayores a 0.6 V existe una mayor generación de
dióxido de carbono (CO2) y a potenciales bajos < 0.2 V (RHE) se presentan algunas
trazas de metano (CH3) (6).
El acetaldehído es uno de los principales productos de la electro-oxidación, es la ruta de
deshidrogenación más dominante para la oxidación del etanol y se lleva a cabo mediante
la ruptura de los enlaces de hidrógeno en el segundo carbono. Las rutas menos
dominantes son la del ion hidroxilo (OH) que tiene una tasa de reacción muy lenta y la del
enlace carbono-carbono (CH).
La descomposición del acetaldehído adsorbido es más favorable que su desorción. Sin
embargo existe re-adsorción, y es la que genera el ácido acético, debido a esto la
cantidad de ácido acético producido es menor que la de acetaldehído (7).
En la reacción de reducción en el cátodo, el O2 es adsorbido en las zonas activas del
catalizador de Pt, durante la separación de la molécula de O2 ocurre una formación de
intermediarios en la que los radicales de O se recombinan con las moléculas de agua
formando peróxido H2O2, figura 1-5 (8).
Figura 1-5.-Formación de peróxidos en la reducción del oxígeno en el cátodo (8).
El peróxido es re-adsorbido y nuevamente crea moléculas de O2. Asimismo, diluye el
catalizador de Pt generando una migración de iones Pt2+ hacia la membrana. La presencia
de iones metálicos y radicales de peróxido perjudica la composición de la membrana
reduciendo su tiempo de vida. Otro efecto importante son pérdidas parásitas en el
potencial total de la celda (8).
1.4 Componentes de una celda de combustible de etanol directo
En el centro de la celda de etanol se encuentra el ensamble llamado EME (membrana-
electrodo-membrana), que consiste en una membrana polimérica de Nafion® colocada
entre dos electrodos de papel carbón pintados con una tinta que contiene catalizador, ver
9
figura 1-6. Los tres componentes son prensados a una cierta temperatura y presión de
manera que deberán quedar unidos en una sola pieza.
Los electrodos a su vez están en contacto con los platos bipolares de grafito del ánodo y
del cátodo respectivamente, de tal manera que puedan conducir los electrones hacia el
colector de corriente.
Los platos bipolares tienen canales de flujo que sirven para llevar el combustible (etanol)
hacia el electrodo anódico y el oxidante (aire) al electrodo catódico.
Para conectar la celda de combustible a un circuito externo se emplean colectores de
corriente fabricados de acero inoxidable, cobre o aluminio, que estén en contacto directo
con los platos bipolares.
Al ensamblar los componentes se deben colocar sellos de silicón para evitar fugas. Todas
las piezas de la celda son comprimidas con dos placas (platos finales) fabricadas de
aluminio y unidas mediante tornillos.
Figura 1-6. Arquitectura de la celda de combustible DEFC.
En la actualidad, la investigación y desarrollo de nuevos materiales juega un papel muy
importante para aumentar la eficiencia de este tipo de celdas, por esto es necesario
Plato Final
Colector de
corriente
Membrana
Polimérica
Alimentación de
aire de flujo
Sello de
Silicón
Electrodos Plato
bipolar
ánodo
Canales
de flujo
Etanol
Plato
bipolar
cátodo
Circuito externo e- e-
10
conocer el principio de funcionamiento de cada componente, buscando que presenten
mayor estabilidad y sean más económicos. A continuación se presentan las principales
características de cada uno de ellos.
1.4.1 Membrana
La membrana es una película delgada formada por un polímero que permite la
conducción de iones H+. Las propiedades iónicas son el resultado de incorporar grupos
sulfónicos en una estructura de tetrafluoroetileno, esto genera regiones hidrofílicas en las
cadenas de grupos sulfónicos que permiten la absorción de agua. Dentro de las estas
regiones hidratadas los iones H+ son débilmente atraídos por los grupos sulfónicos (SO3-)
lo que les permite transportarse del ánodo al cátodo por medio de las moléculas de agua
formando hidronio H3O+.
La membrana de Nafion® es un polímero ácido perfluorosulfónico hidratado, figura 1-7,
con alta estabilidad térmica y mecánica, características que lo hacen apto para ser
utilizado en la mayoría de las celdas de combustible tipo PEM (4). Son resistentes al
ataque de ácidos y bases fuertes a temperaturas que pueden llegar hasta los 125°C.
Figura 1-7. Estructura del Nafion® (4).
Existen además otros materiales similares al Nafion®, como el XUS13204.10, pero con la
longitud de las cadenas poliméricas más cortas, con menor resistencia a la conducción de
protones y mayor densidad de corriente, sin embargo aún se encuentran en desarrollo.
Existe otro polímero conductor denominado Triazol® que facilita el transporte de protones
en condiciones de baja humedad, puede trabajar a una temperatura de 120 °C y tiene alta
estabilidad electroquímica. Este tipo de membrana permite desarrollar celdas de
combustible para aplicaciones en dispositivos electrónicos portátiles (9).
Grupo sulfónico
11
1.4.2 Catalizadores
El catalizador está constituido por nanopartículas de platino soportadas en carbón. El
platino es un metal que posee una elevada actividad catalítica tanto para la oxidación de
etanol en el ánodo como para la reducción del oxígeno en el cátodo. Es conductor
eléctrico y puede operar en rangos de temperatura de hasta 120 °C sin comprometer la
estabilidad térmica de su estructura cristalina. Sin embargo, al ser un metal escaso y
costoso es necesario dispersarlo en pequeñas cantidades en un soporte de carbón
conductor mesoporoso con un área superficial alta, figura 1-8.
Figura 1-8. Catalizador Pt/Ru soportado en carbono.
La morfología y la composición del material del electrodo juegan un papel muy importante
en el funcionamiento catalítico de la oxidación del etanol. Cuando se utilizan electrodos
puros de platino, surgen varios problemas como la formación de especies intermediarias
generadas en la reacción, esto produce altos sobre-potenciales que se traducen en un
bajo rendimiento de la celda. Con la finalidad de incrementar la actividad electro-catalítica
del platino para la oxidación de etanol y mejorar el funcionamiento de la celda, se
introduce el rutenio (Ru) como un segundo metal oxofílico que electro-disocia el agua
formando grupos OH- en su superficie. Con esto se busca disminuir la presencia de CO
adsorbido en los sitios catalíticos y que contamina el electrodo (10).
El rodio (Rh) comparado con el platino tiene baja actividad para la oxidación del etanol
pero muestra una alta selectividad para romper los enlaces carbono-carbono, por lo que
se han realizado estudios para añadir este elemento como tercer metal oxofílico en
catalizadores PtRuRh con la finalidad de obtener mayores potenciales en las celdas de
combustible DEFC (11).
12
1.4.3 Difusores
Los difusores son materiales porosos fabricados de papel carbón o tela de carbón cuyas
características permiten distribuir homogéneamente los reactantes hacia la zona donde se
encuentra el catalizador, evacuar los gases generados en la oxidación del etanol, liberar
el agua generada por la reducción del oxígeno y sirven como un conductor de electrones
hacia el circuito externo.
En la figura 1-9 se muestran las hojas de papel carbón las cuales esta compuestas por
fibras entrelazadas de este mismo material con un diámetro aproximado de 10 m. La
porosidad esta en un rango de 60 % a 90 % dependiendo del fabricante (12).
Figura 1-9. a) Hojas de papel carbón, b) fibras de papel carbón (12).
La fuerza con la que se debe comprimir el difusor es un parámetro importante en el
ensamblaje de la PCC. Una compresión por encima de 2 MPa disminuye el tamaño del
poro y dificulta una correcta difusión de los reactantes a la zona catalítica. Por el contrario
una presión menor a 1 MPa disminuye el contacto del difusor con el plato bipolar
aumentando la resistencia óhmica1. Debido a esto la presión de ensamble se debe
calcular considerando las constantes de rigidez del material (3).
1.4.4 Ensamble electrodo membrana electrodo (EME)
El núcleo de las celdas DEFC es el ensamble electrodo-membrana-electrodo (EME), en el
cual la membrana polimérica se coloca entre dos electrodos fabricados de papel carbón
(difusor) pintados con una tinta que contiene el catalizador y solventes.
1 Es necesario destacar que en los sistemas electroquímicos se utiliza el término resistencia para asociar las
pérdidas relacionadas a la resistencia a la transferencia de carga, resistencia a la transferencia de masa y la resistencia eléctrica. Por esto se hará mención a la resistencia eléctrica como resistencia óhmica.
a) b)
13
Los componentes son prensados a una presión que está en función del área de reacción,
bajo condiciones de temperatura controlada y durante un tiempo determinado de acuerdo
al tipo de material del difusor que se utilice.
En la figura 1-10 se muestra un EME fabricado con una membrana de Nafion® 117,
empleando un difusor de papel carbón, prensados a 4000 lbf, con una temperatura de 120
°C durante 4 minutos.
Figura 1-10. Ensamble EME.
La tinta con la que se pintan los electrodos contiene Nafion®, esto permite que al prensar
el EME, quede unido mecánicamente a la membrana.
Figura 1-11. Región de ensamble electro-membrana (4).
En la figura 1-11, se representa la unión de la membrana con el catalizador, el Nafion®
rodea el soporte de carbón dejando expuestos los sitios activos de catalizador (puntos
EME
Membrana
Electrodo
Difusor (Papel o tela)
Catalizador (Pt)
Nafion®
Soporte de carbón mesoporoso
14
blancos). De esta manera se evita que el platino se desprenda de la membrana por las
fuerzas de arrastre del combustible al pasar a través del difusor (3).
1.4.5 Platos bipolares
Estos componentes son fabricados de grafito de alta conductividad y buena disipación de
calor, permiten alimentar a los electrodos de gases o líquidos reactantes, repartiendo
combustible por toda la celda a través de los campos de canales de flujo, cuya estructura
puede ser de tipo paralelo, entrelazado, mallado o serpentín, figura 1-12.
Figura 1-12. Diseños de canales de flujo: a) paralelo, b) mallado, c) entrelazado, d)
serpentín (3).
En la figura 1-12 a, el fluido se alimenta en una sola entrada y posteriormente se
distribuye en forma paralela a través de los sub-canales, los primeros canales presentan
una menor resistencia provocando zonas de estancamiento hacia el final del campo de
flujo. En este diseño las gotas de agua que se generan en el cátodo por la reducción del
oxígeno obstruyen los canales evitando que el aire llegue a la zona de reacción
disminuyendo el desempeño de la celda.
El diseño de mallado, figura 1-12 b, presenta una menor resistencia al paso del fluido,
esto reduce la caída de presión. El problema que presenta este diseño es el
a b
c d
15
estancamiento en las esquinas del campo de flujo, lo que ocasiona que no se aproveche
el 100% del área de reacción.
En el caso del sistema entrelazado el campo de flujo consta de dos ramales paralelos, ver
figura 1-12 c. Un ramal sirve como entrada y el otro como salida. La condición de que
estén separados obliga a que el fluido cruce de un canal a otro pasando a través del papel
carbón (difusor) ocasionando que la caída de presión sea aún mayor que en los diseños
anteriores.
Los diseños en serpentín, figura 1-12 d, evitan que se tapen los canales de flujo ya que
evacuan el agua condensada (en el caso del cátodo) y el dióxido de carbono generado en
el ánodo, por este motivo es el diseño más empleado en la construcción de celdas tipo
PEM. Debido a la longitud del canal de flujo se generan caídas de presión ocasionadas
por la viscosidad y los efectos inerciales, por esto es necesario hacer un estudio del
diseño que se proponga para fabricar estos componentes (13).
1.4.6 Sistema de sellos
El sistema de sellos juega un papel muy importante en la construcción de una celda de
combustible ya que debe aislar el plato bipolar anódico del catódico para evitar un corto
circuito entre ambos. Asimismo, es necesario diseñar un sistema de sellos que evite la
presencia de fugas de los reactantes que circulan a través de los canales de flujo. Para
dimensionar el tamaño del sello se deben tener en cuenta sus propiedades mecánicas y
el espesor del electrodo.
Los sellos se colocan entre los platos bipolares y el EME, teniendo especial cuidado en no
invadir el área del difusor ya que esto reduce la calidad del contacto eléctrico entre el
electrodo y el plato.
Los sellos pueden ser de diversos materiales, sin embargo, la mayoría son fabricados con
polímeros que soportan altas temperaturas, ambientes corrosivos y esfuerzos de
compresión permanentes.
Existen dos problemas principales del sistema de sellos que están asociadas a pérdidas
en el desempeño de la celda. El primero se presenta cuando el sello es más delgado que
el electrodo, esto perjudica la difusión de los reactantes ya que los poros del papel carbón
del electrodo sufren una deformación excesiva que dará como resultado problemas de
transporte de masa. La estructura porosa comprimida en exceso limitará el paso de los
reactivos desde los canales del plato bipolar hasta las zonas reactivas de la capa
catalítica. El segundo caso es cuando el sello es más grueso que el electrodo y al
ensamblar la celda no existe un buen contacto eléctrico del papel carbón con el plato
bipolar aumentando la resistencia óhmica.
16
1.5 Curvas de polarización
La distribución de las zonas de polarización se presenta en la figura 1-13, y mediante
estos perfiles se pueden analizar las pérdidas de potencial asociadas al desempeño de la
celda de combustible.
Una primera región, a baja densidad de corriente, donde las pérdidas dominantes son las
de activación (problemas catalíticos de cada una de las reacciones de electrodo, ánodo y
cátodo). En la segunda zona, el potencial decrece linealmente debido a que el valor de la
resistencia óhmica es constante junto al aumento de corriente; por último, en la zona de
altas densidades de corriente, el potencial útil decrece debido al efecto de las pérdidas de
concentración, estas pérdidas de transporte de reactantes tienen lugar en todo el rango
de corrientes, pero se acentúan cuando las altas densidades de corriente demandan
mayor flujo de reactantes y es más difícil proporcionarlos a las zonas de reacción (14).
Figura 1-13. Pérdidas características en las celdas PEM (14).
Para obtener la curva de desempeño de la celda es necesario conocer el potencial de
salida y la corriente de operación.
Vc – potencial de salida de la celda (V)
iC – corriente de operación de la celda (A)
La máxima energía eléctrica que puede entregar la celda y la diferencia de potencial entre
el ánodo y el cátodo se alcanza cuando es operada bajo condición termodinámicamente
reversible. Este máximo potencial de salida es el potencial reversible. El potencial de
salida neto de la celda a una determinada densidad de corriente esta dado por el
17
potencial reversible menos el potencial irreversible conformado por las diferentes
pérdidas de activación , resistencia y concentración .
El término representa el potencial neto que entrega la celda en operación. EN (V) es el
potencial termodinámico de cada celda unitaria, y representa el potencial teórico en
función del potencial estándar , el número de electrones que participan en la reacción
, la constante de Faraday y el valor de la entalpia a la temperatura de operación de la
celda .
Las pérdidas de activación a (V) son causadas por las cinéticas lentas de la reacción en
el ánodo y en el cátodo durante la transferencia de masa desde los canales de flujo hacia
la zona catalítica.
La pérdida de potencial debida a la conducción de protones a través de la membrana y la
conducción de electrones a través del circuito externo se representa como R [V]. Estas
pérdidas por resistencia óhmica se deben a la oposición al paso de corriente en cada
componente de la celda y está en función a la resistividad del material con el que fueron
fabricados (3).
Las pérdidas por resistencia al paso de protones y electrones obedecen la ley de Ohm y
pueden agruparse según la expresión:
Donde y representan las resistencias a la conducción de protones y electrones,
respectivamente e es la corriente de la celda.
La pérdida de potencial debido a la variación de la concentración de etanol principalmente
se deben a una lenta difusión de los reactantes a través de los poros de los electrodos
hasta las zonas activas, la expresión para las pérdidas por concentración está dada por:
(
)
Donde (A/cm2) es la densidad de corriente de intercambio. Cuando la concentración de
los reactantes es cero, se presenta el valor máximo de densidad de corriente
(A/cm2).
18
La potencia demandada a la PCC (Ps) será calculada con base a la corriente demandada
por una carga, se relaciona con el potencial y la corriente de salida que la celda
proporciona de acuerdo con:
1.6 Variables de operación
Las celdas DEFC pueden operar a diferentes condiciones de temperatura, presión y
humedad relativa por lo que es necesario conocer el efecto de cada variable para
controlarlos y mantenerlos en un valor óptimo de funcionamiento.
1.6.1 Temperatura
Las celdas tipo DEFC se caracterizan por operar a una temperatura significativamente
más baja que la mayoría de las celdas de combustible. Su temperatura de funcionamiento
óptimo normalmente está situada en un rango entre 60-80 ºC, esto permite que funcionen
rápidamente al necesitar menor tiempo de calentamiento lo que representa una ventaja,
ya que supone menor desgaste en los componentes del sistema, y por tanto aumenta la
duración del mismo (14). Debido a que las reacciones son exotérmicas, se necesitan
sistemas de extracción de calor puesto que a temperaturas mayores a 100°C el agua se
evapora y la celda se deshumidifica deshidratando la membrana y creando puntos
calientes en el área de reacción (16). Esta reportado que al variar la temperatura de 42 °C
a 90 °C en celdas DEFC existe un incremento en el potencial en un 25 % (15).
La cinética de la reacción en el cátodo y en el ánodo se incrementa con el aumento de la
temperatura, el sobre-potencial decrece aumentando la densidad de potencia referida al
área de reacción. Cuando la temperatura aumenta la movilidad de protones se incrementa
y se mejora la conductividad de la membrana. Por otro lado, las moléculas de oxígeno
presentes en el aire se mueven más rápidamente hacia la capa de difusión de gases y a
la capa catalítica; el agua generada en el cátodo se puede remover mas fácilmente debido
a que se reduce la tensión superficial entre el líquido y el electrodo. De esta manera, se
mejora el desempeño de la celda.
1.6.2 Presión
La presión en el cátodo en condiciones de variación de carga tiene efectos positivos ya
que la celda presenta una mejor respuesta en estabilidad a mayores presiones.
El rango de presión reportado en celdas de experimentación está en el orden de 1 bar
tanto para el etanol en el ánodo como para el oxígeno o aire en el cátodo (15). Se han
desarrollado modelos de caída de presión para celdas de alcohol directo que consisten en
canales paralelos en los cuales se analiza como los cambios en los parámetros de
19
operación (temperatura, flujo y densidad de corriente) influyen en el perfil de la caída de
presión (17).
Otros estudios sobre celdas de metanol directo han realizado mediciones in situ en los
canales de flujo en el ánodo con geometrías de serpentines simples bajo diferentes
condiciones de flujo, temperatura y concentraciones reportando caídas de presión en el
orden de 1 kPa (18).
Se ha visto que al aumentar el flujo de alimentación también lo hace la caída de presión
como se muestra en la figura 1-14 lo que incrementa el crossover del ánodo al cátodo
(18). Este fenómeno se puede disminuir aumentando la presión de alimentación del
oxígeno para obtener mayores potenciales en la celda (17).
Figura 1-14. Caída de presión en el ánodo a diferentes flujos de metanol (18).
En contraste el aumento de las presiones de los gases de entrada implica la instalación
de equipos de compresión, que suponen un peso y volumen adicionales y tienen una
demanda parásita de energía.
20
1.6.3 Humedad
Los experimentos sobre diversos tipos de membranas muestran en todos los casos que
su conductividad disminuye al reducir la humedad en su interior. Mantener el nivel de
humidificación de la membrana es un parámetro importante en el desempeño de la celda
puesto que con una membrana hidratada se promueve la buena conducción de protones.
Se ha demostrado la influencia de la humedad en el cátodo para obtener una mayor
potencia ya que incrementa la conductividad de los protones. En los valores más altos de
densidad de potencia referida al área de reacción reportados se utiliza aire en el cátodo
con una humedad relativa de 85%. Otro efecto de la humidificación en el cátodo es que
disminuye la resistencia a la transferencia de carga debido a que se mejora la cinética de
oxidación del aire. Como se muestra en la figura 1-15 a valores menores de 60% RH
(humedad relativa) la potencia de la celda disminuye (19).
Figura 1-15 Curva de desempeño de una PCC a diferentes valores de humedad relativa en el cátodo (19).
La resistencia a la transferencia de masa también disminuye porque el contenido de agua
en la interface de reacción contribuye a un mejor transporte de protones. El efecto de una
mayor conductividad en la membrana por una buena hidratación genera también que la
resistencia óhmica de la celda disminuya (19).
21
1.1 Problemáticas de las celdas de etanol directo
1.1.1 Permeación de etanol
En las celdas DEFC, existe un cruce de etanol desde el ánodo hacia el cátodo que es
ocasionada por su alta solubilidad con el agua y está relacionada con los grupos
sulfónicos de la membrana que tienen un carácter polar que atrae al grupo OH- del alcohol
haciéndolo pasar al lado del cátodo mediante arrastre electro-osmótico (20).
Se ha reportado que para reducir la permeación no se deben utilizar concentraciones
mayores a 2 mol/L de etanol (15). El incremento de la concentración de etanol genera que
la membrana se expanda por fenómenos electrostáticos, creando una distorsión en la
morfología de la capa catalítica que conlleva al deterioro del EME y reduce el tiempo de
vida de la celda (21).
El fenómeno de permeación del combustible a través de la membrana causa que el
funcionamiento global de la celda disminuya ya que, se presenta una oxidación del etanol
en el cátodo creando un potencial (22).
1.1.2 Efecto del CO2 generado en el ánodo.
Existe una producción de CO2 durante la oxidación del etanol en el ánodo de la celda,
este gas es liberado a través de los poros de electrodo y se mezcla con la solución etanol-
agua de modo que ocupa un espacio en los canales de flujo que impide el
aprovechamiento del área de reacción creando problemas de trasferencia de masa, por
esto es necesario que los canales de flujo estén diseñados de modo que los gases
puedan ser expulsados de la celda.
El combustible en el ánodo es suministrado en sentido contrario al vector de la gravedad
ya que, por la diferencia de densidades, el CO2 tiende a subir y puede ser expulsado de la
celda (23).
1.2 Pilas de celdas de combustible (PCC).
Con la finalidad de aumentar la potencia de las celdas de combustible se han desarrollado
pilas colocando varias celdas en serie lo que permite sumar los potenciales. La PCC tiene
los mismos componentes que las celdas individuales, un esquema general se muestra en
la figura 1-16 (24).
El potencial total esta en función del número de celdas multiplicado por el
potencial de la celda .
22
Figura 1-16. Esquema de una PCC (24).
Las celdas de combustible tienen una tendencia a comportarse de manera diferente
cuando son apiladas ya que no existe una uniformidad de temperaturas y concentraciones
de los reactantes a través de cada celda individual.
En la figura 1-17 se muestran dos diseños para la alimentación de los reactantes a través
de la PCC. La forma de alimentación mas empleada es la tipo Z donde el fluido pasa a
través de toda la PCC distribuyéndose en paralelo por los canales de cada uno de los
platos bipolares y sale del otro lado, esta topología es la mas empleada ya que presenta
menores caídas de presión si se tiene un ajuste apropiado de la estructura geométrica y
condiciones de flujo que puedan mejorar la uniformidad de distribución y alcanzar un
diseño óptimo (25).
Figura 1-17. Topologías de alimentación de reactantes en las PCC (26).
Entrada Aire
Entrada etanol
Plato final Plato bipolar
Aislante
Colector
Plato Bipolar
Salida Aire
Salida etanol
Número de celdas
EME
Alimentación en Z Alimentación en U
23
La alimentación en U permite una mejor distribución de los fluidos pero presenta mayores
pérdidas de presión ya que el flujo regresa en dirección contraria al de entrada
aumentando la longitud de la trayectoria. Esto provoca un mayor consumo de energía en
la bomba de suministro del reactante (26).
Existen algunas PCC de etanol directo que han sido desarrolladas para aplicaciones en
transporte como es el caso de la Universidad de Offenburg, cuyo diseño del grupo de
ingeniería automotriz fue de 50 W con un potencial de 45 V empleando 60 celdas en serie
para mover un auto experimental de carreras (27), otros prototipos aun están siendo
mejorados y se planea utilizarlos como sustitutos de baterías para aplicaciones de
portabilidad en dispositivos electrónicos.
24
CAPÍTULO 2 ANTECEDENTES
25
2.1 Aspectos generales
Los parámetros principales a tomar en cuenta para el escalamiento de las celdas de
combustible de etanol directo son las características geométricas de los campos de flujo,
el tamaño de área activa y la densidad de corriente que se desea obtener calculada en
base a la potencia que otorgará la PCC.
Para obtener mayor densidad de corriente es necesario incrementar el área de reacción
de la celda, esto implica aumentar la longitud de los canales de flujo y por ende el tamaño
del plato bipolar. Al aumentar el área de reacción de la celda la distribución de los
reactantes se vuelve más compleja por lo que es necesario estudiar nuevas geometrías
de campos de flujo.
Figura 2-1. Caída de presión a un cierto número de celdas (28).
Cuanto mayor es el número de celdas el flujo másico a través de los canales disminuye
exponencialmente por lo que es necesario mantener una velocidad constante en los
reactantes a través de la PCC, esta relación se puede observar en la figura 2-1 (28).
Uno de los principales problemas de escalamiento de celdas se presenta al incrementar el
tamaño del EME es la caída de presión, puesto que la longitud de los canales de flujo es
mayor y la desaceleración del combustible al pasar a través del campo de flujo ocasiona
un decremento en la presión de entrada con respecto a la de salida. El número de
subcanales del serpentín debe ser incrementado y es necesario mantener constante el
número de Reynolds con la finalidad de que la velocidad del fluido sea la adecuada en los
procesos de reacción en el área activa (29).
Número de celdas
Flu
jo m
ásic
o k
g/s
26
Figura 2-2. Coeficientes para el escalamiento de celdas de combustible (30).
Una vez que se ha definido el tamaño del área activa, se pueden seleccionar las
características de los canales de flujo, altura, ancho, longitud y topología (paralelo,
mallado, serpentín) de acuerdo a las características de caída de presión deseadas. Los
coeficientes 1 (ancho del canal) y 2 (número de subcanales) utilizados en el diseño,
figura 2-2, cumplen con las especificaciones adecuadas para un área activa de 64 cm2,
con valores de 1.5 mm y 3 mm respectivamente (31).
Para el escalamiento de la PCC es necesario conocer las especificaciones de potencia,
potencial y corriente total. Posteriormente se debe seleccionar el número de celdas y el
área de superficie activa. Para efectos de diseño se debe considerar el punto óptimo de
funcionamiento, definiendo las condiciones de temperatura, presión, humedad y flujo a las
cuales operará.
2.2 Aspectos mecánicos
2.2.1 Platos finales
El plato final es uno de los componentes principales de las celdas de combustible tipo
PEM ya que debe proveer una distribución de presión uniforme entre varios componentes
de la celda (platos bipolares, sellos, colectores, etc.) y al mismo tiempo reducir la
resistencia de contacto entre estos.
Una buena distribución geométrica de los tornillos que comprimen la celda permite que las
densidades de corriente sean más uniformes en el área de reacción.
64
Área de reacción del EME (cm2)
Núm
ero
y a
ncho
de c
ana
les
27
Por otro lado una compresión no uniforme en la PCC puede propiciar la fractura de los
platos de grafito (32). Además, se presentan densidades de corriente no uniformes que
aumentan el flujo de electrones en algunas regiones del área de reacción, el calor
generado por esta concentración de corrientes deteriora la membrana y a largo plazo se
ocasiona un corto circuito entre el ánodo y cátodo (33).
Por estas razones es necesario hacer un estudio de la fuerza con que se comprimen los
componentes de la celda y de las deformaciones de los platos finales bajo diferentes
distribuciones de los tornillos de sujeción.
Los platos finales se pueden fabricar con polímeros como el nylon, polisulfonas o acrílicos
aprovechando sus características dieléctricas y que son materiales ligeros, sin embargo
uno de los principales problemas es que no tienen una buena estabilidad térmica y se
pueden dañar a temperaturas de operación arriba de los 200 °C, mientras que los
materiales metálicos como el aluminio, titanio o acero presentan mejor resistencia térmica
y mecánica pero se corroen o a menudo se presentan problemas de corto circuito al no
aislar adecuadamente los dos polos.
Se han realizado estudios de análisis de elemento finito para determinar el
comportamiento del plato final cuando es sometido a fuerzas de compresión con
diferentes espesores de placa de aluminio utilizando dos hileras de tres tornillos, figura
2-3, con las esquinas redondeadas obteniendo valores de deformación por
desplazamiento en el orden de 1 mm (33).
Figura 2-3. Plato final para una celda tipo PEM de 5kW (33).
Otro tipo de estudio propuesto para conocer la distribución de los esfuerzos en los platos
finales para una celda de 25 cm2 con una presión de ensamble de 240 MPa, se utiliza una
película sensible a la presión, a mayor presión cambia la intensidad de color, que se
coloca entre el plato final y el plato bipolar, posteriormente se compara el comportamiento
de la película contra los valores obtenidos de la simulación en elemento finito.
28
Figura 2-4. Plato final para una celda tipo PEM de 50 x 50 mm: a) Simulación, b) Película (32).
La tendencia de distribución de presión en ambos casos a y b, figura 2-4, son similares
cualitativamente, sin embargo, el porcentaje de error entre el modelo y el experimento fue
de 60 % debido a condiciones como la tolerancia en el maquinado de las piezas y errores
de medición en la película sensible. La deformación del plato predominó en las esquinas
con un 22 % (0.133 mm) mientras que en el centro no presentó deformación (zona azul
indica desplazamiento cero) como se aprecia en la figura 2-5.
Figura 2-5. Contornos de deformación platos finales en celda PEM de 50x50mm (32).
En el caso de celdas de etanol la temperatura de operación es baja por lo que es posible
utilizar polímeros plásticos. Para tener un buen desempeño de los platos finales es
necesario evaluar el diseño por medio de análisis de elemento finito considerando las
propiedades mecánicas del material y la presión de contacto de 2 MPa antes de proceder
a la etapa de manufactura (34).
a) b)
29
2.2.2 Campos de flujo (modelo de flujo dos fases)
En las celdas de combustible los campos de flujo deben ser diseñados para minimizar las
caídas de presión y proveer una transferencia de masa uniformemente distribuida a través
de los difusores hacia la zona de reacción.
Los diseños mayormente utilizados en las celdas de combustible son de serpentín,
interdigitado, paralelo o combinaciones de las tres. En celdas de etanol normalmente se
emplean de triple serpentín paralelo puesto que presentan menores caídas de presión
para reactantes líquidos (35). La sección transversal de los canales típicamente es
rectangular pero otras formas (trapezoidales, circulares y triangulares) han sido
estudiadas con la finalidad de conocer el efecto que tiene cada forma en la acumulación
de agua (36). La altura de las paredes de los canales reportados en celdas
experimentales están en el rango de 1 mm, pero existe un amplio rango de aplicación
desde micro celdas (0.1 mm a 0.8 mm) (37), hasta celdas de mayores dimensiones (1 mm
a 5 mm). En simulaciones realizadas para celdas de metanol, se observa que para
paredes con alturas mayores de 2 mm los efectos de caídas de presión debido a
variaciones en los flujos no produce una caída de presión importante (29).
La diferencia de presión entre la salida y la entrada permite el flujo de los reactantes. De
tal manera que a mayor caída de presión se incrementará la velocidad. Los valores que
determinan una mayor caída de presión son los canales demasiado largos con excesivos
cambios de dirección y la fricción debido a la rugosidad en la interface del líquido con las
paredes del canal. El flujo en los canales de los platos bipolares es laminar puesto que los
valores de Re (< 2300) no sobrepasan este régimen de flujo.
Para tener una aproximación del comportamiento del fluido en los canales de flujo se
utilizó un programa de cómputo de dinámica de fluidos considerando un sistema de dos
fases liquido-gas. La simulación se llevó a cabo introduciendo en el programa de cómputo
las propiedades de viscosidad y densidad de la mezcla etanol-agua (fase líquida) y del
CO2 (fase gaseosa) a la temperatura de operación de la celda.
2.2.3 Diseño: CFD (dinámica de fluidos computacional) y FEA (análisis de
elemento finito)
Los métodos numéricos de análisis de elemento finito (FEA) consisten en dividir un
sistema continuo en segmentos interconectados en serie mediante vértices llamados
nodos. Mediante esta división es posible evaluar el comportamiento de cada elemento
aplicando ecuaciones diferenciales.
Es posible conocer el comportamiento de los componentes de una celda tipo PEM
realizando simulaciones de volumen finito en un programa de cómputo para estudiar la
30
dinámica de fluidos de los reactantes que pasan a través de los campos de flujo del plato
bipolar en el ánodo. Las dimensiones de ancho y profundidad de los canales fueron de 1.5
mm para ambos casos y se seleccionaron de acuerdo con los resultados de un trabajo
anterior realizado en el laboratorio (38). Este estudio mostró que la topología con menor
caída de presión fue la de triple serpentín paralelo con 5.3 Pa en un flujo de una sola fase,
un número de Reynolds de 5.8 y una velocidad máxima de etanol-agua de 8E-04 m/s.
En cuanto al análisis de elemento finito aplicado a mecánica estructural fue necesario
realizar la simulación de las fuerzas a las que se sometieron los componentes de la PCC.
Se emplearon programas de elemento finito para el cálculo de esfuerzos y poder conocer
la deformación del plato final debido a la compresión.
La etapa de diseño fue de suma importancia puesto que permitió determinar si los
modelos eran apropiados para su fabricación optimizando las geometrías de los campos
de flujo y evaluando las tolerancias de maquinado. Además, se redujo el tiempo y el costo
de la experimentación.
2.2.4 Propiedades mecánicas del grafito
El grafito empleado para la fabricación de los platos bipolares es tipo EDM (maquinado
con descargas eléctricas) de alta resistencia mecánica, por características de diseño para
portabilidad, este material debe ser ligero en razón al peso/potencia que generará la PCC,
además deben ser delgados y con una baja resistencia óhmica.
Las propiedades mecánicas y eléctricas del grafito que se utiliza se muestran en la tabla
2-1.
Tabla 2-1 Propiedades mecánicas del grafito (39).
Propiedad Unidades
Presión de ensamble (psi) 22
Esfuerzo a la flexión (psi) 8,100
Esfuerzo de compresión (GPa) 12
Peso/potencia (g/kW) 1
Resistividad eléctrica (µOhm in) 580
Conductividad (S/cm) 679
En conjunto con sus buenas propiedades mecánicas otro factor de importancia es que la
estructura química del grafito es estable lo cual lo hace resistente a la corrosión.
31
2.2.5 Ensamble de la PCC
Para realizar el ensamble final es necesario conocer las propiedades mecánicas de los
componentes de la PCC y determinar la presión necesaria para que el valor de la
impedancia total sea mínimo.
Figura 2-6. Esquema de las fuerzas que actúan en el ensamble de la PCC (3).
En el ensamble se considera la suma de las fuerzas de compresión y tensión de cada una
de las capas de la PCC en un solo eje como se muestra en la figura 2-6.
Existen dos regiones de compresión críticas, la región de contacto entre la membrana y el
catalizador en la cual la resistencia de contacto es baja debido a que ambas son
prensadas durante la fabricación del EME, y la región de contacto del difusor de gases y
los platos bipolares, donde la resistencia de contacto es mayor. La capa de difusión es
porosa lo que implica que un exceso de compresión reduce el tamaño de poro y por lo
tanto disminuye la permeabilidad de los reactantes.
Para obtener la compresión óptima se considera que las superficies del difusor y plato
bipolar no son perfectamente lizos, que los límites elásticos de los materiales no han sido
excedidos, que los materiales son homogéneos y que no hay movimiento entre las capas,
por tanto no existen fuerzas de fricción en el área de contacto (40).
32
2.3 Aspectos de control
Las PCC de etanol directo son sistemas muy complejos que involucran reacciones
electroquímicas, flujo de reactantes, control de temperatura y de presión, de tal manera
que es importante diseñar un sistema de coordinación y control para alcanzar una alta
eficiencia y larga vida útil del sistema (4). Con el fin de mantener su funcionamiento
estable y con valores óptimos de desempeño es común utilizar algoritmos tales como el
PID (proporcional, integral, derivativo) o de lógica difusa (41).
También suelen ser empleadas técnicas de señales de control utilizando PWM
(modulación por ancho de pulso) para atenuar o incrementar la potencia de operación en
las resistencias y ventiladores con la finalidad de mantener estable la temperatura de la
PCC. Mediante sensores de temperatura se realiza la retroalimentación al programa de
monitoreo (42).
Las reacciones químicas generan calor incrementando la temperatura constantemente por
lo que es necesario enfriar el sistema mediante refrigerante o ventiladores.
2.3.1 Electrónica de control
El sistema de control de operación tiene como finalidad monitorear y controlar las
variables que intervienen en el funcionamiento de una PCC de etanol directo, empleando
un sistema de retroalimentación entre sensores y actuadores.
El diseño de la electrónica de control se basó en un gabinete de control previamente
desarrollado en el laboratorio de energía renovable con el cual fue posible caracterizar la
operación de una monocelda de combustible recopilando la información de los sensores
a través de una computadora. Se monitorearon y controlaron los parámetros de
temperatura, humedad, presión y corriente empleando un código de programación en
Labview® (43).
En el nuevo diseño la electrónica fue adaptada a los requerimientos del escalamiento
empleando una tarjeta de adquisición de datos con mayor cantidad de entradas y salidas
tanto analógicas como digitales necesarias para el monitoreo de la PCC. Asimismo, se
eliminó el sistema de multiplexado brindando más exactitud en el muestreo de señales
con una mayor resolución y simplificando el proceso de adquisición de señales.
El sistema se integró en un gabinete de control en el cual se instaló el circuito electrónico
y se conectaron los sensores (temperatura, presión, humedad), resistencias calefactores y
terminales para medir la potencia generada.
33
Figura 2-7. Configuración del sistema integrado (15).
La figura 2-7 muestra el esquema general del sistema de control de operación para
caracterizar la PCC (15). La información de los sensores de control de temperatura es
enviada a un ordenador a través de la tarjeta de adquisición de datos DAQ, la información
es procesada en un programa de LabView® donde se grafican las curvas de polarización
y se pueden monitorear las condiciones del sistema en tiempo real, este programa fue
desarrollado para un gabinete de control en un proyecto previamente realizado (43).
34
CAPÍTULO 3 METODOLOGÍA
35
3.1 Procedimiento.
El desarrollo del proyecto se dividió en dos secciones principales, figura 3-1, la primera
fue la fabricación de la PCC de etanol directo y en la segunda, se construyó el sistema de
control de operación electrónico.
Para la fabricación de la PCC, fue necesario conocer la potencia, dimensionar el tamaño y
número de celdas, basándose en los datos de la bibliografía. Con la revisión de los
resultados de experimentos anteriores a menor escala se realizó el diseño de los
componentes de la celda, se crearon los bocetos en CAD y se procedió a la etapa de
simulación en la cual se utilizaron programas de cómputo para analizar las características
del comportamiento de los campos de flujo y los platos finales. Con los resultados de las
simulaciones se obtuvo un diseño optimizado y se continuó con la etapa de fabricación.
Todos los componentes mecánicos (platos bipolares, finales y colectores de corriente) se
fabricaron en una fresa con control numérico (CNC), se programó el código G y se
evaluaron las tolerancias de maquinado requeridas para evitar irregularidades en la
superficie y valores resistencias de contacto altos. En la etapa de desarrollo de la PCC,
también se fabricaron los EME y el sistema de sellos. Finalmente se ensamblaron todos
los componentes y se realizó la integración con el sistema de control para caracterizar el
funcionamiento bajo diferentes condiciones de operación.
36
Figura 3-1. Esquema de la metodología de fabricación de la PCC de etanol directo.
37
3.2 Requerimientos de la PCC
Los requerimientos con base a los resultados realizados en pruebas preliminares para
celdas de etanol y los valores calculados para el diseño de la PCC se muestran en la
siguiente tabla.
Tabla 3-1. Requerimientos para el diseño de la PCC.
Potencia deseada 5 W
Densidad de corriente disponible por celda 18 mA/cm2
Potencial disponible por celda 550 mV (± 20 mV)
Área activa por celda 64 cm2 ( 8 x 8 cm)
Número de celdas 10
Corriente total por celda 1 A
Potencial total 5 V
Temperatura de operación 60 °C (333 K)
Flujo en el ánodo 1 mL/min
3.3 Platos bipolares
Con el fin de diseñar los platos bipolares, se realizó una simulación en el programa de
cómputo ANSYS Fluent®. Se estudió el comportamiento de los fluidos a través de los
campos de canales de flujo discretizando el modelo en volúmenes finitos. Este método de
análisis constó de las siguientes etapas.
3.3.1 Mallado
Para la simulación de los campos de flujo se empleó un volumen finito tetraédrico, la malla
de la vena líquida estuvo compuesta de 586,062 elementos y 139,616 nodos. Para tener
un análisis más preciso, se estableció en el programa una mayor densidad de elementos
en la proximidad de las curvas donde existen cambios de dirección del fluido.
Los sectores de análisis señalados en color verde para cada caso son, figura 3-2, la pared
trasera A (Wall back), la velocidad de entrada B (Velocity inlet), la presión de salida C
(Pressure outlet), la pared D (Wall react) y las paredes laterales E (Wall Lateral).
38
Figura 3-2. Sectores de análisis en el mallado de la vena líquida.
En la configuración de la malla se incluyó un método de optimización controlado por el
programa, de esta manera se redujo el tamaño de los nodos sin perder propiedades en la
calidad de la malla, en la figura 3-3 se puede observar un corte transversal en los canales
de flujo del mallado compuesto por elementos tetraédricos.
Figura 3-3. Corte transversal a la malla de los canales de flujo individuales.
Cuantos más nodos tetraédricos contiguos existan, la calidad de la malla es mejor y la
solución será más precisa, sin embargo, se debe hacer un balance considerando las
capacidades de cálculo computacional.
39
3.3.2 Modelos
La configuración del modelo de simulación incluyó un perfil de análisis de dos fases, la
primera líquida y la segunda gaseosa. Se consideró una concentración del combustible
1M de etanol-agua y una temperatura de 333 K para calcular los parámetros físicos de los
fluidos. Dichos parámetros se muestran en la tabla 3-2. Además, se consideraron cuatro
ecuaciones fundamentales: energía, viscosidad, cambio de velocidad y fracción
volumétrica. Debido a que el valor de Reynolds en la simulación es igual a 6 los flujos se
consideraron laminares.
Tabla 3-2. Propiedades físicas de los reactantes para la simulación de los campos
de flujo.
3.3.3 Condiciones de frontera
Debido a que el canal de flujo se encuentra a condiciones atmosféricas, la presión total a
la salida fue de 0 Pa. Empleando un flujo volumétrico de un 1 mL/min se calculó la
velocidad de entrada de los reactantes con un valor de 8.503E-4 m/s. Se consideró que
las burbujas de CO2 que se generaron en el ánodo son arrastradas por la solución de
etanol-agua y que la temperatura de operación de la celda fue constante. La fracción
volumétrica de acuerdo con un estudio realizado en celdas de alcohol directo fue de 1 %
(CO2 disuelto en agua) y corresponde a la relación líquido-gas que interactúa en los
campos de flujo (44).
3.3.4 Prototipos de platos bipolares.
Se propusieron varias arquitecturas de campos de flujo para el lado anódico del plato
bipolar. Se optimizó el perfil de velocidades y la caída de presión. El estudio de dinámica
de fluidos se realizó sólo en los campos de flujo del ánodo debido a los problemas que se
presentan por la generación y el manejo del CO2.
Fueron propuestos cuatro prototipos de platos bipolares cada uno tiene 100 mm de alto
por 100 mm de ancho y con 4 mm espesor. El área de reacción para los cuatro modelos
es de 80 mm alto por 80 mm ancho, ver figura 3-4.
Fase Densidad
(kg/m3)
Viscosidad
(kg/ms)
Peso
molecular
(kg/kgmol)
Conductividad
térmica (W/m K)
Temperatura
(K)
CH5OH/H2O 972.073 0.000509 64.1152 4.75E-01 333
CO2 1.7878 1.37e-05 44.00995 0.0145 333
40
Figura 3-4. Dimensiones generales de los modelos de platos bipolares propuestos.
El primer modelo A21, figura 3-5, fue diseñado con dos canales principales de distribución
de 5 mm de ancho por 60 mm de largo y, tres sub-sistemas de canales de distribución de
tipo triple serpentín en paralelo de 215 mm de longitud total. Los canales individuales
fueron de 1.5 mm de ancho por 1.5 mm de profundidad, el espacio inter-canal fue de 1.3
mm, estas consideraciones de diseño fueron tomadas en cuenta de acuerdo con
resultados obtenidos para celdas de etanol directo (38). La relación de área de contacto
eléctrico fue de 45 %.
Tabla 3-3. Características geométricas de los prototipos de platos bipolares.
Diseño Dimensiones
(mm)
Ancho de canales
de distribución
(mm)
Espesor
(mm)
Chaflán en
esquinas
(mm)
Diámetro de la
entrada y de la
salida (mm)
Área de contacto %
A21 100 x 100 5 4 0 5 45
A22 100 x 100 2 4 2 5 56
A23 100 x 100 2 4 2 5 54
A24 100 x 100 2 4 2 5 54
*Acotación en mm
41
Figura 3-5. Prototipos del canal de flujo en el plato bipolar para el ánodo de la PCC
de etanol directo. A) Modelo A21, B) Modelo A22, C) Modelo A23, D) Modelo A24.
En el modelo A22 se propuso reducir el ancho de los canales de distribución principal a 2
mm con la finalidad de aumentar la longitud total de los sub-canales a 235 mm y de esta
manera, incrementar el área de contacto a 56 %. Además, se colocaron seis bordes
laterales para mejorar la distribución del fluido de entrada en los tres sub-canales. Para el
prototipo A23 se mantuvo la morfología de los sub-canales y los canales individuales, se
eliminaron los seis bordes y se implementaron chaflanes de 4 mm en la alimentación. Se
A B
C D
2 Canales de distribución
3 Sub-canales de distribución
Guías de 3 mm
Borde
42
colocaron chaflanes de 2 mm para suavizar los cambios de dirección del fluido en los
canales individuales. Fueron incluidas dos guías (barrenos) de 3 mm de diámetro una
superior y otra inferior en el centro del plato para facilitar el maquinado y alinear los platos
bipolares intermedios en el ensamble de la PCC.
El prototipo A24 se propuso extender el brazo de alimentación de entrada y salida de
fluido duplicando la distancia de 2 mm a 4 mm para evitar fugas, manteniendo las demás
propiedades del prototipo A23.
3.3.5 Fabricación de los platos bipolares
Para fabricar los platos bipolares, primero se realizó el rectificado del plato de grafito por
medio de desbaste con una piedra cilíndrica de carburo de silicio de ¾” de diámetro y 6
mm de zanco para montaje en una máquina fresadora. Para controlar el espesor de los
platos y permitir un desbaste homogéneo en la superficie del grafito se fabricó un molde
de aluminio de 4 mm de altura. El acabado espejo se logró usando lijas de agua y esmeril
de pulido.
Asimismo con la finalidad de observar el comportamiento del fluido fueron fabricados los
platos bipolares en acrílico en los cuales se realizaron pruebas de estancamiento de agua
en los canales con un flujo de 1 mL/min regulado con una bomba peristáltica, los canales
se limpiaron con solvente para eliminar rastros de aceite o partículas.
Figura 3-6. Prueba de campos de flujo en platos de acrílico.
El comportamiento del flujo concordó con el que fue obtenido en las simulaciones, los
canales de distribución incrementaron la velocidad del fluido y permitieron abastecer de
43
etanol a los tres sub-canales hacia el centro del plato, no existe el estancamiento de fluido
que generalmente ocurre por la presencia y obstrucción de burbujas de aire.
Posteriormente, se maquinaron los campos de flujo en grafito Poco EDM-200® (tabla 2-1)
para el ánodo y para el cátodo, figura 3-7. Las propiedades mecánicas permitieron un
buen acabado en la superficie y fue posible colocar los conectores de alimentación de
reactantes haciendo una rosca de 1/8 NPT reduciendo así el número de sellos y la
probabilidad de fugas. La fabricación se realizó en una máquina fresadora de control
numérico Sherline 2000CNC, con una herramienta de corte vertical end mill de 1.5 mm,
zanco de 3 mm a una velocidad de avance de 70 mm/min.
Figura 3-7. Platos bipolares de grafito maquinados con los canales de flujo para
ánodo y cátodo.
3.4 Platos Finales
3.4.1 Prototipos de platos finales
Para tener una distribución uniforme de esfuerzos se realizó el diseño de varios modelos
de platos finales con diferentes geometrías y distribución de barrenos en un programa de
cómputo, Inventor Autodesk®. Los platos miden 130 x 130 x 10 mm y cuentan con 8
barrenos de sujeción de 6 mm de diámetro. Los diseños propuestos se muestran en la
figura 3-8.
Ánodo Cátodo
44
a b
c d
Figura 3-8. Diferentes diseños de platos finales.
En la tabla 3-4 se muestran las características geométricas de los diseños propuestos.
Tabla 3-4. Características geométricas de los diseños propuestos
Diseño Dimensiones (mm) Distancia entre
barrenos (mm) Espesor (mm)
Radio de
chaflán (mm)
Diámetro del
barreno (mm)
a 130 x 130 60 10 - 6
b 130 x 130 54 10 - 6
c 130 x 130 30 63 10 20 6
d 130 x 130 42 60 10 20 6
Empleando el boceto del dibujo se generó un sólido 3D, se exportó en formato SAT y se
importó en el programa de cómputo de análisis de elemento finito para mecánica
estructural ANSYS APDL®. El resultado del análisis nos arrojó los vectores de
desplazamiento debidos a los esfuerzos aplicados a cada elemento finito.
45
3.4.2 Deformación unitaria
La deformación de un punto del plato final al ser sometido a la fuerza de compresión de la
PCC esta dado por las componentes de su desplazamiento.
La fuerza distribuida por unidad de volumen debida al peso del plato y las fuerzas de
tracción superficial causadas por una fuerza de contacto distribuida o una acción de
presión sobre una superficie determinan el esfuerzo al que estará sometido el
material.
Para materiales elásticos lineales las relaciones esfuerzo-deformación unitaria se
obtienen de la ley de Hooke. Los materiales isotrópicos tienen dos propiedades
independientes, el módulo de Young E y la razón de Poisson v que se conjugan en la
obtención de la deformación de la siguiente manera:
Deformación
Razón Poisson
Módulo de Young
Esfuerzo
Desplazamiento
Longitud inicial
Finalmente, el desplazamiento estará en función de las propiedades del material tanto
mecánicas como geométricas y de las fuerzas que se le apliquen, esta relación se
observa en la siguiente ecuación:
[
]
Para determinar el desplazamiento se introdujeron los parámetros del modelo, definiendo
el mallado de elemento finito como tetraédrico de diez nodos con desplazamientos UX,
UY, UZ y las siguientes características: estructural, lineal e isotrópico. El módulo de
elasticidad del aluminio fue de 69x109Pa y su constante de Poisson de 0.33. Las
condiciones de frontera establecen que no existirá desplazamiento, es decir, que
UX=UY=UZ=0 en los nodos que están en contacto con el colector de corriente (zona roja,
figura 3-9).
46
Figura 3-9. Zona de restricción de desplazamiento X-Y-Z.
Para aplicar el esfuerzo que realiza la cabeza del tornillo sobre el perímetro del barreno,
se simuló una presión total de 2 MPa repartida en cargas puntuales de 42 kPa para los
ocho barrenos, cada fuerza es colocada en el centroide de las 6 áreas discretizadas,
figura 3-10.
Figura 3-10. Distribución de las fuerzas de
compresión en el perímetro del barreno.
Esta presión total de 2 MPa fue necesaria para que no se presentaran altos valores de
resistencia óhmica en la celda ocasionados por un contacto deficiente entre los
componentes ya que las pérdidas por resistencia de contacto representan un 5% por cada
25 mV/cm2 generados (34).
Con estas simulaciones fue posible analizar el perfil de deformación que presenta cada
uno de los prototipos y seleccionar el adecuado para su fabricación.
47
3.4.3 Fabricación del plato final.
Siguiendo la metodología establecida se llevó a cabo la fabricación de los componentes
de la primera celda. El diseño, se dibujó en Inventor® Autodesk y se exportó la geometría
a lenguaje de programación CNC a una máquina de control numérico, marca Sherline
2000CNC. Para la primera celda se utilizó acrílico ya que es un material cuyo costo es
más bajo y puede ser usado para pruebas preliminares. En la figura 3-11 se muestran las
medidas principales del plato final y un plato final terminado.
Figura 3-11. Plato final de acrílico (acotación en mm).
Todos los programas de maquinado se encuentran en el apéndice II.
3.5 Fabricación del ensamble EME
3.5.1 Tinta catalítica
Para realizar la tinta catalítica que se depositó en el ánodo, por cada 1 mg de catalizador,
se utilizaron 10 L de una solución de Nafion® diluida al 5% en 2-propanol más 16 L de
alcohol isopropílico. Para el ánodo se utilizó una carga catalítica de 1 mg/cm2 de Pt/ Ru
soportado en carbono. En un vial se mezclaron los materiales y se sumergieron en baño
ultrasónico durante 30 min.
48
Para el cátodo se emplea una carga catalítica de 1 mg/cm2 de Pt soportado en carbono.
En un vial se mezclaron los materiales y se sumergieron en baño ultrasónico durante 30
min.
3.5.2 Electrodos
Los difusores empleados constaron de papel carbón 75T de Ballard ®. Por cada celda se
cortaron dos cuadros de 80 x 80 mm y para eliminar la humedad se secaron durante 45
min a 60°C. Una vez seco se registró el peso y sirvió de referencia para la deposición de
los catalizadores. Posteriormente, los difusores fueron pintados con una brocha delgada
con la tinta catalítica de 1 mg/cm2 de Pt-Ru/C para el ánodo y, de igual manera, el cátodo
se pintó con la tinta de 1 mg/cm2 de Pt/C.
Los electrodos se secaron durante 45min a 60°C para para eliminar la humedad y el
solvente restante. Por último, el electrodo fue pesado para verificar la cantidad de
catalizador depositado en el difusor.
3.5.3 Membrana
Se utilizó una membrana Nafion 117 con dimensiones de 100 x 100 mm. Para eliminar
contaminantes, la membrana fue sumergida durante 45 minutos en una solución de
peróxido de hidrógeno al 3% de volumen en agua desionizada a una temperatura de
100°C. Después, se lavó en agua desionizada durante 15 minutos a 100°C. A
continuación se sumergió en una solución de ácido sulfúrico 1 M durante 45 minutos a
100°C para activar los grupos sulfónicos. Finalmente, se realizaron lavados con agua
desionizada durante 15 minutos a 100°C.
3.5.4 Ensamble electrodo membrana (EME)
Para realizar el ensamble se colocó un electrodo (ánodo y cátodo) centrándolo en cada
lado con las caras pintadas hacia la membrana. Posteriormente, se prensaron los
componentes entre dos placas de acero inoxidable durante 4 minutos a 120 °C con una
presión de 9000 lb-fuerza (45). El equipo empleado fue una prensa con control de
calentamiento automático. El EME se almacenó en un recipiente para mantenerlo
hidratado en agua desionizada y esterilizada.
3.6 Sistema de sellos
Para fabricar los sellos se utilizó un caucho de silicón Silastic® JRTV de Dow Corning. Se
emplearon 6 g los cuales fueron esparcidos sobre un vidrio con una cuchilla calibrada
para obtener un espesor de 200 m, figura 3-12, este espesor fue calculado en base al
grosor del EME de 210 m y considerando que el sello debe ser aproximadamente un 5 %
49
menor (46). Posteriormente, se calentó en un horno a 100 °C durante 2 horas para
vulcanizar el polímero. Por último se cortaron los sellos a la medida deseada empleando
una plantilla y se limpiaron con alcohol isopropílico para eliminar residuos que pudieran
generar fugas en el ensamble de la PCC.
Figura 3-12. Fabricación películas de silicón.
La membrana de Nafion® se deforma cuando se le añade agua, esta deformación causa
obstrucción en los canales de flujo, sobre todo en el ramal de alimentación del
combustible. Debido a esto fue necesario colocar un soporte rígido de acetato para evitar
fugas del ánodo al cátodo.
3.7 Colectores de corriente
El cobre tiene una alta conductividad eléctrica (58,108 × 106 S/m) y buena conductividad
térmica 400 W/(K·m), debido a estas características fue seleccionado para la fabricación
de los colectores de corriente. Los bordes del colector se redondearon para favorecer a
una buena distribución en el área de contacto con el plato bipolar y evitar concentraciones
de corriente en esquinas de 90° ocasionadas por las fuerzas electrostáticas (3).
Figura 3-13. Colectores de corriente derecho y anverso.
50
La desventaja del cobre es que presenta una baja estabilidad electroquímica que
ocasiona la corrosión de la superficie al estar en contacto con el agua o el etanol, por lo
que se deben limpiar periódicamente para que exista un buen contacto eléctrico con el
plato bipolar.
3.8 Ensamblaje de la PCC de etanol directo.
En la figura 3-14 se presenta el diseño 3D realizado en Inventor Autodesk® para
establecer dimensiones de ensamble y posibles errores de diseño.
Figura 3-14. Diseño CAD de la PCC.
Vista trasera (ánodo)
Vista lateral
Vista isométrica
Vista frontal (cátodo)
51
En el ensamble de la PCC se emplearon dos guías de 1/8” para alinear los platos finales,
colectores, platos bipolares, sellos y el EME. Todos los componentes fueron limpiados
previamente con alcohol para evitar contaminación y con ello posibles fugas.
Figura 3-15. Guías para el ensamble de la PCC.
Para realizar el ensamble se colocaron los tirantes de acero inoxidable de 6 mm y se
aplicó un torque de 20 lb-in en cada uno de los 8 tornillos para comprimir la PCC de diez
celdas.
Figura 3-16. PCC ensamblada.
Se colocaron las resistencias de calentamiento de 65 W, dos laterales que fueron aisladas
eléctricamente con un soporte de vidrio para evitar el contacto directo con los colectores
de corriente. Posteriormente, se sujetaron con placas de aluminio aisladas térmicamente
usando un sello compuesto con Viton® y Teflon® de 1/8” de espesor y 30 x 30 mm de
lado para evitar calentamiento en los platos finales. La tercera resistencia se instaló
dentro del plato bipolar en el centro de la PCC.
52
3.9 Sistema de control
La etapa de control se basó en la medición de las variables de operación empleando
sensores que fueron elegidos por su bajo costo, su tamaño compacto y por su facilidad de
manejo. Para la temperatura se utilizaron circuitos encapsulados LM35 y detectores de
temperatura RTD, para la humedad se utilizó un sensor HIH30700 el cual ajusta el
porcentaje de humedad relativa a la temperatura de medición mediante un LM35 y la
presión se monitoreó con sensores de bajo perfil MX5700. El sistema de control se dividió
en varias etapas cada una controla una variable de operación, por lo que se diseñó en los
módulos, ver figura 3-17.
Figura 3-17. Esquema del sistema de control.
La placa de control tiene dos funciones principales, en la primera envía al DAQ (sistema
de adquisición de datos) los datos recabados por la placa de sensores. La segunda es
recibir los datos que envía el programa de la PC a través del DAQ para activar los
actuadores (resistencias, ventiladores y motor a pasos). El DAQ esta en constante
comunicación con la PC mediante entradas y salidas empleando una conexión USB.
3.9.1 Alimentación del sistema.
El sistema de control de operación de la PCC se diseñó con tres fuentes de alimentación
(5 V ,12 V y -12 V). La fuente de 5 V alimentó los circuitos electrónicos digitales (TTL), la
fuente de 12 V se utilizó para activar los ventiladores para el enfriamiento de la celda y
53
para alimentar los amplificadores operacionales. En la figura 3-18 se muestra el diagrama
de simulación de las fuentes de alimentación.
Figura 3-18. Fuentes de alimentación 12 V, -12 V y 5 V.
3.9.2 Amplificador de señales.
Las señales de los sensores de temperatura TD5A y LM35, y de presión MPX2010 fueron
acondicionadas para realizar las conexiones de adquisición de datos de modo
referenciados a tierra (R single ended) que opera con valores analógicos mayores a 1 V
ya que fue más estable para conectar a la tarjeta DAQ6216 y permitió aprovechar todas
las conexiones analógicas, es por esto que se decidió amplificar las señales. La
configuración se muestra en la figura 3-19.
Figura 3-19. Simulación en Proteus® del acondicionamiento del sensor LM35.
Para determinar el potencial de salida se utilizó la siguiente ecuación:
54
Vo= [(Ro/Ri)+1]*Vi
Donde:
Vo es el potencial de salida,
Ro es la resistencia de salida (R3),
Ri es la resistencia de entrada (R4).
Es importante recalcar que la ecuación anterior es para un amplificador no inversor.
Debido al nuevo diseño de los platos bipolares de la celda de etanol directo fue necesario
emplear los sensores de temperatura (LM35) y sensores TD5A del tipo RTD (Resistance
thermal detecting), estos últimos son resistencias a través de las cuales pasa una
corriente de excitación que produce una caída potencial y con base a esto se puede
determinar la temperatura.
Al usar los RTDs fue necesario hacer una configuración de acondicionamiento de la señal
empleando un divisor de potencial que era sensible a la variación de la resistencia del
RTD, esta variación de potencial fue amplificada para poder ser leída a través del DAQ.
Figura 3-20. Configuración del acondicionamiento de los RTD.
Los amplificadores que se utilizaron para el diseño de la placa fueron los LM741, debido a
la precisión y su bajo costo.
Se muestra a continuación la tabla 3-5, con los valores de las señales amplificadas.
55
Tabla 3-5. Amplificación de potenciales para la etapa de acondicionamiento de
señales analógicas de temperatura y presión.
Sensor Señal de salida Señal Amplificada
LM35 (temperatura) 10°C/0.1V 10°/0.5V
MPX5700 (presión) 100KPa/0.8V 100KPa/4V
RTD (temperatura) 25-60°C/2000-3000ohm/0.06V 5.5V
HIH4030 (humedad) 25°C, 1V/9%RH Sin amplificar
3.9.3 Emisor/receptor.
En esta etapa el circuito emisor/receptor empleado fue el 74LS245 debido a su bajo costo
y fácil manejo, es el encargado de retroalimentar y actualizar la información del sistema,
recibe y envía pulsos digitales a altas velocidades. Se aplicó un pulso en la terminal DIR
para activar la dirección de A hacia B, ver Figura 3-21.
Figura 3-21. Configuración del emisor/receptor.
3.9.4 Control de resistencias calefactoras.
La celda de etanol directo podrá operarse a temperatura ambiente o en un rango de 60 °C
a 80 °C (333-353 K) por tanto se emplearon resistencias calefactoras en los platos finales
y sensores que monitorearon la temperatura en puntos estratégicos con el propósito de
evitar daños en los sellos y membranas poliméricas.
Dentro del módulo de control se utilizaron los optoacopladores MOC3041 que a través de
un pulso digital de 5 Vcd activan un potencial de disparo de 80 Vca en la compuerta del
TRIAC 2N6073, alimentando las resistencias calefactoras a un potencial de línea de 120
56
Vca. Este sistema permitió acoplar el circuito de control en corriente directa con los
actuadores (resistencias de calentamiento) en corriente alterna.
Se empleó un divisor de potencial de 120 y 180 para la activación de la compuerta
del TRIAC que alimentó las resistencias. Para este tipo de celdas se colocaron
resistencias en los platos finales y a lo largo de la PCC en lugares estratégicos definidos
por el gradiente de temperatura.
Figura 3-22. Optoacoplamiento DC/AC para la activación de las resistencias
calefactoras.
Para seleccionar los fusibles se midió la corriente que pasa a través de las resistencias la
cuyo valor fue en el orden de 10 mA.
3.9.5 Enfriamiento por ventilación.
Para lograr el enfriamiento de la PCC por convección se utilizaron tres ventiladores, el
primero fue de mayor potencia y trabajó con corriente alterna, fue activado con el mismo
sistema de las resistencias calefactores por medio de un arreglo de TRIACS, los dos
ventiladores restantes sirvieron de refuerzo y trabajaron con corriente directa.
Cuando el interruptor SW1 recibe el pulso digital de activación de 5 Vcd desde el
programa de control a través del DAQ, se enciendo el LED del optoacoplador activando el
ventilador a 12 Vcd, figura 3-23.
57
Figura 3-23. Optoacoplamiento DC/DC para el control de los ventiladores de
enfriamiento.
3.9.6 Control de motor con Puente H
El flujo volumétrico con el que se alimentó la celda se controló con una bomba peristáltica
constituida por un motor a pasos. Para el control del motor se utilizó una secuencia de
pulsos digitales de 5 V enviados a un puente H (L298), este componente nos permitió
controlar el movimiento del motor.
Fue necesario colocar diodos en paralelo a los interruptores del puente H para permitir el
flujo inverso de la corriente cuando se conmutaba la tensión para no dañar al resto de los
componentes del sistema.
El puente H sirvió para reforzar la corriente demandada debido a que se utilizó un motor a
pasos que demandaba más corriente, esto se debió al aumento en el torque necesario
para presionar la manguera que bombeaba el fluido de alimentación de la celda. Se
activaron los dos ENABLE (A y B) para tener las cuatro salidas disponibles, figura 3-24.
5 V
12 V
58
Figura 3-24. Configuración del puente H para la activación del motor a pasos
Al emplear una fuente de potencial auxiliar en una de sus terminales fue posible
suministrar una mayor potencia en el caso de que se demandara más corriente.
3.9.7 Monitoreo de potencial y corriente de la celda
Debido a sus caracteristicas electrónicas (30 V, 35 A, 60 W) para esta etapa se utilizó un
N-channel-MOSFET 2SK1388 que en su zona óhmica de operación se comporta como
una resistencia variable, es decir que al recibir una señal analógica en la compuerta Q, el
valor de su resistencia interna aumenta. Fue útil para caracterizar la PCC bajo
condiciones de carga.
59
Figura 3-25. Simulacion en LiveWire del sistema de medición de corriente.
En la figura 3-25, la fuente de alimetacion de 2.5 V representa el potencial de la PCC, la
corriente se calcula utilizando la ley de Ohm con la resistencia de 100 m y su potencial
entre terminales, la adquisición de la señal de potencial (95.78 mV) se realizó con el DAQ.
3.9.8 Diseño del circuito de control
La placa electrónica se dividió en 8 secciones con la finalidad de tener un orden al integrar
los actuadores y sensores, e identificar rápidamente alguna falla en la operación de algún
componente los módulos se muestran en la figura 3-26.
Figura 3-26. Módulos que componen la placa de control diseño en PCBwizard®.
Emisor/Receptor
Acondicionamiento de
sensores
Acondicionamiento de
RTDs sensores
Fuente inversa (-12V)
Control de las R.
calefactoras
Control del motor a
pasos
Control. de
ventilación
Medición de la celda (V y I)
60
Figura 3-27. Placa de control con los componentes electrónicos.
Para ensamblar los circuitos y componentes electrónicos se simuló la distribución de los
espacios y el diseño de la caja de control en Inventor Autodesk®, figura 3-28.
De esta manera se tuvo mejor control al ubicar las distancias de cables, la posición de los
fusibles y los conectores.
Figura 3-28. Diseño del gabinete de control
El gabinete de control contó con terminales Jack de 120 Vca para las resistencias
calefactoras y el ventilador de enfriamiento principal, terminales para la medición de la
61
corriente y el potencial de la celda, terminal DB15 serial para manejo de sensores, un
arreglo de botones de encendido con condicionamiento para que las resistencias no se
pudieran encender si no estaba encendido el control con el fin de proteger la PCC de un
sobre calentamiento y tres leds indicadores de encendido( color verde 5 V, color rojo 12 V
y color amarillo -12 V).
Se instalaron las placas de control de sensores y actuadores, así como la tarjeta DAQ, y
el ventilador de extracción de calor para regular la temperatura en el interior de la caja de
control.
Fueron colocados fusibles para proteger las resistencias y las fuentes de alimentación, en
la figura 3-29 se muestra el arreglo de los fusibles que fueron seleccionados en base a las
mediciones de corriente de cada componente.
Figura 3-29. Arreglo de fusibles para las resistencias y el ventilador principal
Se realizó la caracterización de los sensores de temperatura TD5A marca Honeywell®
utilizando el acondicionamiento electrónico de la señal y se obtuvieron valores de
potencial superiores a 5 V. Los resultados fueron favorables para la conexión del sensor
con el DAQ en modo single ended sin referenciar.
62
Figura 3-30. Caracterización del sensor de temperatura RTD.
La medición de la temperatura se comparó con un termómetro infrarrojo y los datos
obtenidos se muestran en la figura 3-30, para la zona de operación de la celda el sensor
se comportó de manera lineal, sin embargo se empleó una corrección en el código del
programa de control para linealizar las señales de todo el rango de temperaturas.
3.10 Montaje de pruebas de la PCC.
En el montaje de la prueba mostrado en la figura 3-31 se utilizó una bomba de diafragma
para alimentar el cátodo con aire a un flujo de 1935 mL/min (193 mL/min por celda), la
humedad relativa del aire fue alrededor de 80% y es un valor óptimo para la operación de
PCC tipo PEM (19), la presión a la entrada del cátodo fue de 309 kPa. Se empleó una
bomba peristáltica para alimentar el ánodo con etanol a un flujo de 60 mL/min (6 mL/min)
por celda.
Inicialmente se alimentó la PCC con los reactantes durante 2 horas con la finalidad de
hidratar la membrana y estabilizar la operación llevándola a una temperatura de 60 °C.
63
Figura 3-31. Montaje para la prueba de la celda.
El análisis del desempeño de una celda tipo PEM se realizó utilizando la curva de
polarización descrita en el tema 1.5, este método permitió determinar las condiciones de
operación óptimas de la PCC bajo diferentes variables de operación. La limitación de esta
herramienta fue que no se pudieron conocer las características de resistencia óhmica de
cada celda individual, para conocer estos fenómenos se empleó la espectroscopia de
impedancia (47).
Una vez que se logró un potencial a circuito abierto constante se realizó la activación de la
PCC, mediante voltamperometría cíclica de 10 repeticiones con una ventana de potencial
de 0 V a 5 V y con una velocidad de barrido de 10 mV/s.
La prueba de espectroscopia de impedancia electroquímica fue aplicada en un rango de
frecuencia de 25 kHz a 0.1 kHz con una amplitud de 5 mV. El valor de amplitud para la
excitación fue pequeño para causar la mínima perturbación posible en la PCC, fue
necesario utilizar amplitudes en el rango de 5 a 10 mV pico a pico (48).
Etanol
PCC de
etanol directo
Bomba de diafragma
Bomba
peristáltica
Gabinete de
control
Ventiladores de
enfriamiento
64
CAPÍTULO 4 RESULTADOS
65
4.1 Análisis de CFD para las geometrías de campos de flujo propuestos.
El análisis de dinámica de fluidos inició con el primer prototipo en el cual se evaluaron los
perfiles de velocidad, la distribución del reactante a través del área activa y las caídas de
presión, posteriormente se propuso un segundo prototipo que mejoró las características.
Este proceso se repitió sucesivamente hasta llegar al prototipo final.
La velocidad fue un factor importante en los procesos de transporte de masa que
conllevan a una buena electroxidación de las especies en la zona de reacción. Por tanto
fue necesario mantener los perfiles de velocidad cercanos a valores ya estudiados de 8E-
04 m/s. Los campos de vectores se mejoraron a la entrada y salida de la vena líquida
realizando modificaciones en las geometrías.
4.1.1 Prototipo A21
El prototipo A21 no presentó una distribución uniforme en el canal de entrada y salida de
reactantes mostrados en la figura 4-1. Esto se debió a que los distribuidores (señalados
con rectángulos rojos) fueron de 4 mm, lo que generó que el reactante perdiera velocidad
por una baja caída de presión. Además, el fluido en la zona central no fue homogéneo por
lo que las densidades de corriente se concentraron más en las curvas y en las entradas
que en la zona de reacción (señalada en el cuadro amarillo).
Figura 4-1. Perfil de velocidad en el prototipo A21 (m∙s-1).
En la entrada se creó turbulencia debido a las altas presiones originadas cerca de esta
zona donde el fluido no tiene ninguna restricción que disminuya su velocidad. Esta alta
presión permite que los reactantes fluyan hacia los canales centrales distribuyéndose en
los tres subsistemas.
66
Otro efecto notable en la geometría de este prototipo fue el estancamiento que se generó
en las esquinas de los canales de flujo creando una distorsión en el campo de velocidad,
figura 4-2. El flujo experimentó gradientes de presión favorables en la pared interna y
adversos en la pared externa, posteriormente al finalizar la curva se generó una
aceleración a lo largo de la pared externa mientras que en la pared interna se desaceleró,
estos cambios provocaron la separación del fluido y la formación de burbujas de
recirculación en la parte inicial de la curva (49).
Figura 4-2. Perfil de velocidades en las curvas del prototipo A21 (m∙s-1).
La separación del fluido y su estancamiento están ligados al número de Reynolds y al
diámetro de la curvatura.
4.1.2 Prototipo A22
Con la finalidad de mejorar las distribuciones de reactantes del prototipo A21 se
modificaron los canales laterales de 4 mm reduciendo el ancho a 2 mm y añadiendo
bordes para promover la distribución del reactante. Sin embargo, los resultados en la
simulación del prototipo A22 indicaron estancamientos de combustible en las paredes de
los bordes tal como se muestra en la figura 4-3 a, las regiones de azul claro representaron
un flujo 30% mayor que las regiones en azul marino.
Las pérdidas de presión en las curvas se debieron principalmente a la fricción en las
esquinas sin chaflán puesto que la longitud de todo el campo de flujo era mayor (50).
Cuanto mayor es la curvatura se disminuye la recirculación del fluido ocasionada por el
cambio de dirección y se reducen las caídas de presión, se determinó que los valores de
curvaturas son óptimas en el rango de 2 mm (49). Por lo tanto, se modificaron las
esquinas de los canales del prototipo A21, figura 4-3 b, en las zonas donde existe cambio
de dirección del fluido, añadiendo un chaflán de 2 mm de diámetro.
67
Figura 4-3. Simulación del modelo A22, con estancamiento en los bordes (gráfica de
contorno del flujo).
En la zona central de los canales de flujo individuales no se presentó un flujo homogéneo,
sin embargo fue posible disminuir la caída de presión en la entrada de la mezcla etanol-
agua con respecto al prototipo A21 en un 30 %.
4.1.3 Prototipo A23
El prototipo A23 presentó 29 % menor caída de presión que el A24, sin embargo, después
de realizar el ensamble virtual de una celda de combustible en Inventor Autodesk®, figura
4-4, se pudo visualizar un alto riesgo de fuga de combustible en el prototipo A23 debido a
la proximidad del canal de flujo del ánodo con la alimentación de aire en el cátodo.
Figura 4-4. Modelado en CAD de una celda de combustible.
Para evitar las fugas internas y el cruzamiento de etanol del ánodo al cátodo en la PCC
se propuso aumentar el brazo de alimentación 2 mm.
Distancia insuficiente
propensa a fugas
a)
b)
A21
A22
68
4.1.4 Prototipo A24
En el prototipo A22, los vectores amarillos encerrados en el círculo rojo de la figura 4-5
alcanzaron un valor de 7.17E-03 m/s muy superior al valor deseado, mientras que en el
A23 los valores se mantuvieron en el rango de 1.29E-03 m/s. Se colocaron chaflanes de 4
mm en las entradas y salidas en el A24 y se logró una distribución más uniforme de los
vectores de velocidad en los canales de flujo con perfiles de velocidad de 6E-04 m/s.
Figura 4-5. Perfil de velocidades en prototipos propuestos (corte transversal del
campo de flujo).
El perfil de velocidad fue necesario para que existiera simetría en los canales de flujo y
que la transferencia de masa en la zona de reacción fuera adecuada. El número de
Reynolds fue de 5.1 (51).
La presión estática está en función de la gravedad, la densidad de los reactantes y la
posición en el eje Y en cada uno de los nodos que se estén evaluando. La caída de
presión total del campo de flujo en A24 fue de 1.43 kPa.
A21 A22
A23 A24
69
La gráfica, figura 4-6, muestra la caída de la presión en el eje Y cuando el fluido se dirige
a la salida subiendo por los canales, las regiones son las correspondientes a los 3 sub-
canales (elipse azul), 9 niveles horizontales de triple serpentín y 27 canales individuales.
Figura 4-6. Gráfica de caída de presión en el prototipo A24.
A través de la gráfica de contornos, figura 4-7, de igual forma fue posible observar el
cambio de presión donde en el color rojo existe una mayor presión y el azul corresponde a
la salida con una presión menor.
Figura 4-7. Perfil de caída de presión en el prototipo A24 (kPa).
Posición en Y (mm)
Pre
sió
n e
stá
tica (
kP
a)
1
2
3
4
7
8
9
5
6
1
2
3
5
4
6
7
8
9
Entrada
Salida
70
El resultado de las simulaciones para el análisis de la caída de presión total en los
prototipos se muestra en la tabla 4-1.
Tabla 4-1. Valores de caídas de presión.
Diseño Caída de presión (kPa)
A21 4.12
A22 2.98
A23 1.01
A24 1.43
4.2 Análisis de deformación en los platos finales
En la figura 4-8 se muestran las gráficas de contorno para los diferentes platos bajo las
mismas condiciones de presión. En la escala de contornos el color azul corresponde al
valor de deformación menor y gradualmente va aumentando hasta llegar al color rojo que
representa el valor mayor.
Figura 4-8. Gráficas de contorno de los desplazamientos.
a b
c d
71
En el diseño a y b los mayores desplazamientos se encontraron en las esquinas (zonas
rojas) debido a una concentración de esfuerzos, este tipo de diseño no se recomienda ya
que no permite una distribución uniforme de presión (52), en el diseño c fueron mayores
los desplazamientos en el área contigua a los tornillos, donde aún con las esquinas
redondeadas los esfuerzos no se distribuyeron uniformemente. El diseño d presentó una
mejor distribución de desplazamientos debido a que los barrenos se colocaron
equidistantes y se evitó poner tornillos en las esquinas. En la tabla 4-2 se muestran los
valores de desplazamientos máximos.
Tabla 4-2. Desplazamientos máximos de deformación para los
diferentes diseños de platos finales.
Diseño Desplazamiento máximo(mm)
A 12.586
B 4.496
C 3.858
D 3.352
Los resultados del análisis mostraron que el diseño d tiene una mejor distribución de
esfuerzos y se pueden observar los vectores de desplazamiento de color rojo que
representan las mayores magnitudes proyectadas con diferentes ángulos de esfuerzo
cortante, en el cuadro central no existe desplazamiento por lo tanto no hay vectores. Las
flechas con ángulos diferentes de 180° son las fuerzas que causarán la deformación
cóncava del plato final, figura 4-9.
Figura 4-9. Vectores de desplazamiento unitario.
72
En la figura 4-10 se presentan los cuatro prototipos en vista lateral, en las cuales se
aprecia la evolución del prototipo a hasta el prototipo d. En el prototipo mejorado se logró
reducir un 73.34% la deformación del plato. Una mayor presencia de color rojo determina
que la distribución de las fuerzas fue mas uniforme (prototipo d), contrario al color azul
que denota una mayor concentración de esfuerzos en las esquinas (prototipo a).
Figura 4-10. Gráfica de deformación vista lateral.
Una mala distribución de fuerzas genera que se concentren mayores densidades de
corriente en determinadas zonas de reacción, esto reduce el tiempo de vida de los
materiales. La optimización de la geometría es importante para evitar éste fenómeno.
Asghari et al, evaluaron el diseño de los platos finales variando los espesores para
optimizar el diseño, los resultados muestran valores de desplazamiento en el rango de los
2 mm usando placas de aluminio (33). Sin embargo, no consideraron la distribución de los
barrenos en sus resultados.
a b
a
c d
a
73
4.1 Cálculo del torque de ensamble
Para calcular el torque óptimo de ensamble de la PCC se utilizó la ecuación hertziana
para la compresión de dos esferas que se muestra en el apéndice I.
El valor de torque se obtuvo conociendo el número de celdas, cantidad de tornillos, los
valores geométricos y las propiedades mecánicas de los componentes. En la tabla 4-3, se
observan los parámetros para el cálculo, donde H es el valor de espesor en metros, E es
el módulo de elasticidad en MPa de los diferentes materiales de la PCC y k es la
constante adimensional de rigidez.
En primera instancia para calcular la constante de rigidez ( ) de la PCC se consideraron
los espesores y módulos de Young de los componentes, de igual manera se utilizaron las
propiedades geométricas y mecánicas de los tornillos para calcular su constante de
rigidez ( ), la suma de las dos constantes dio como resultado la rigidez total del sistema
( ).
Tabla 4-3. Cálculo de la constante de rigidez para el ensamble de la PCC.
Utilizando el coeficiente de Poisson y el módulo de elasticidad para cada uno de los
materiales de la PCC (difusor y plato bipolar de grafito), en conjunto con sus dimensiones
geométricas y considerando una presión de contacto óptima de 2 MPa, se calculó la
compresión elástica 2000 m (53). Este parámetro sirvió para conocer el porcentaje
de deformación de los sellos y de los difusores de papel carbón. El difusor se comprimió
un 30 % de su espesor lo que es equivalente a 50 m, este porcentaje es óptimo para
asegurar un buen contacto eléctrico con el plato bipolar (36).
El cálculo de torque en cada tornillo se definió una vez que se conoció la fuerza requerida
tomando en consideración la fricción rosca-tuerca y rondana-plato final. La fuerza con la
Componentes Espesor H(m) E(GPa)
Plato final 1.00E-02 6
Sello 2.00E-04 0.1
Plato bipolar 1.00E-02 12
GDL 1.60E-04 0.3
Membrana 1.83E-04 0.095
Cabeza
Tuerca
Total
Cálculo de la constante de rigidez del tornillo
0.0539
0.0029
0.3692
0.0628
0.116762423
Cálculo de la constante de rigidez de la pila
Constante de rigidez total (pila + tornillo)
Constante de rigidez k(S/D)
2.53
3.54
1.26
0.85
3.44
Total
74
que se aflojan los tornillos se le llamó de liberación e incluye los coeficientes de operación
referentes a la interacción de la rigidez de la PCC y del tornillo.
La suma de las fuerzas de liberación y de contacto dio como resultado la fuerza total para
ensamblar la PCC. Finalmente el torque se obtuvo de una relación de la fuerza de
ensamble, el asentamiento del tornillo, la fricción en la interfaz rosca-tuerca y el diámetro
de paso del tornillo (3). El valor de torque por tornillo calculado para ensamblar la PCC de
diez celdas fue de 2.3 Nm (20.85 lbin), ver tabla 4-4.
Tabla 4-4. Calculo del torque para el ensamble de la pila.
Los valores de torque dependen específicamente de las características de cada PCC,
algunos trabajos con mayor área de reacción (125 mm x 50 mm), de diez celdas reportan
valores de torque de 8 Nm hasta 16 Nm, debido a que sus dimensiones generales son
mayores es necesaria mayor fuerza de ensamblaje (54). En caso de celdas de metanol
con área de reacción de 40 x 40 mm se reporta un valor de 3 Nm (26.55 lbin), en este
caso se emplean platos bipolares de acero inoxidable (18).
4.2 Gradiente de temperatura.
Con la finalidad conocer el comportamiento de la temperatura a través de la PCC, se
empleó la Ley de Fourier para la transferencia de calor por conducción (55), con la cuál
fue posible conocer el gradiente de temperatura del plato final hacia el centro de la PCC,
ésta ley se expresa de la siguiente manera:
Valor Unidades
k pila 0.053937767 S/D 0.040
k tornillo 0.062824656 S/D 0.108
Fuerza de referencia 1.60E+03 N
qa- coeficiente de apriete 0.5 S/D
mi - fricción en la rosca y tuerca 0.15 S/D
mc - fricción entre tuerca-rondana 0.15 S/D 0.00088
Diámetro exterior rondana 0.0187 m 1169.556
Diámetro interior rondana 0.007 m 1970.055654
Valor Unidades
Paso del tornillo 1 mm
Diámetro de paso 5 mm 2.356149144
Asentamiento del tornillo 0.864 N 20.85191992
Cálculo de fuerzas
Torque de ensamble
Fuerza de liberación (N)
Fuerza de ensamble de la pila(N)
Torque de ensamble(Nm)
Torque en (lb-in)
Coeficientes operacionales de rigidez(S/D)
c1
c2
Fricción en la rondana (S/D)
75
Donde:
Potencia de la resistencia (W)
Conductividad térmica (W/mK)
Área trasversal (m2)
Temperatura de la celda (K)
Dirección en la cual se está transfiriendo el calor.
En la figura 4-11 se muestra el esquema de la PCC, el calor fluye hacia el centro a través
de los diferentes materiales o capas y cada una representa una resistencia térmica, por
esto es necesario conocer las propiedades de cada capa (56). En la misma figura se
presenta un circuito eléctrico equivalente para el modelo térmico de la PCC con
comportamiento lineal.
Figura 4-11. Transferencia de calor en la PCC.
Por las características geométricas del sistema térmico el análisis se consideró simétrico y
solo se calculó para la mitad de la PCC. Utilizando la Ley de Fourier adaptada al modelo
eléctrico fue posible llegar a la siguiente expresión:
∑
Gradiente de temperatura (K)
Temperatura en el centro de la PCC (K)
Fuente de calor (W)
Resistividad total de cada material
L x
76
La resistividad es la capacidad que tiene cada material para oponerse al flujo de calor y se
puede obtener con el espesor , el área , la conductividad térmica y el número de
capas con las mismas características.
Las propiedades geométricas y térmicas de los materiales se muestran en la tabla 4-5.
Tabla 4-5. Propiedades térmicas y geométricas de los componentes de la PCC.
En el circuito equivalente, la potencia que entrega la resistencia como fuente de calor fue
de 70 W y la temperatura en el centro fue de 333 K. Finalmente, conociendo la
resistividad total se pudo calcular el gradiente de temperatura de 200 K, lo cual indicó que
para mantener la temperatura constante fue necesario instalar una resistencia en el centro
en la PCC.
4.3 Caracterización
Se realizaron pruebas caracterización para conocer las pérdidas de activación, óhmicas y
de concentración utilizando un potenciostato de la marca Autolab PGSTAT302. Las
condiciones de operación para las pruebas realizadas a la PCC se muestran en la tabla
4-6.
Tabla 4-6 Condiciones de operación de la PCC.
4.3.1 Efecto de la temperatura en el desempeño
Se realizó la prueba de desempeño mediante una voltamperometría lineal de 0 a 4 V con
un barrido de 10 mV/s a un flujo de etanol de 6 mL/min variando la temperatura en un
rango de 30 a 60 °C, las curvas de desempeño se muestran en la figura 4-12.
Condiciones de operación Valor
Torque 20 lb in
Temperatura 30 a 60 °C
Concentración 1M etanol/agua
Flujo de etanol por celda 1 a 6 mL/min
Flujo de aire por celda 193 mL/min
77
Figura 4-12 Curvas de desempeño de la PCC a diferentes temperaturas.
El valor de densidad de potencia, máxima fue de 5.19 mW/cm2 el cual se logró con una
temperatura de 50 °C. La corriente máxima fue de 750 mA con un potencial de 4 V dando
un rango de potencia total de 3 W.
Cuando la temperatura aumenta la movilidad de los protones también lo hace y la
conductividad de la membrana mejora, por lo que la resistencia óhmica disminuye
gradualmente. A mayores temperaturas en el ánodo la fracción molar del acetaldehído
disminuye mientras que la producción de ácido acético se incrementa, esto genera más
productos que pueden ser oxidados y el potencial a circuito abierto así como la densidad
de corriente se elevan (57).
La actividad de las moléculas también mejoran acelerando la difusión del aire a través del
difusor en el cátodo, las burbujas de agua son mas fácilmente removibles y se incrementa
la transferencia de masa.
En la tabla 4-7 se presentan los valores de potencia máxima a diferentes temperaturas de
operación y se puede observar que con el incremento de la temperatura de 50 °C a 60 °C
disminuyó la potencia, este comportamiento se debió a fenómenos físicos y no a la
cinética de reacción.
Tabla 4-7. Valores de desempeño de la PCC a diferentes temperaturas.
Temperatura de la PCC (°C)
OCP (V) Densidad de
corriente (mA/cm2) Densidad de
potencia (mW/cm2)
30 3.69 2.73 4.03
40 3.97 2.92 4.06
50 3.99 3.57 5.19
60 3.62 3.02 4.62
78
La permeación de alcohol a través de la membrana genera caídas de potencial de hasta
0.1 V a circuito abierto por el incremento de la temperatura provocando una menor
densidad de potencia al aumentar de 50 a 60 °C. Otro efecto del aumento de la
temperatura es que el coeficiente de difusión del etanol en fase líquida se incrementó lo
que generó corrientes de permeación mayores y un menor desempeño de la PCC (20).
Conforme aumentó la densidad de corriente hacia su valor máximo en la curva de
polarización, la variación de potencial a 50 °C con respeto a la de 60 °C, se redujo y llegó
a ser cercana a cero. Este comportamiento se debe a que a valores de corriente límite se
oxida la mayor parte del etanol en el ánodo y la permeación a través de la membrana se
ve altamente disminuida (58).
4.3.2 Efecto del flujo en el desempeño
Al incrementar el flujo se mejoró el transporte de masa en la capa difusora. Safari et al,
variaron el flujo de 0.05 a 0.1 L/min, notando que la densidad de corriente se incrementó
aumentando la potencia de la PCC (59).
Con la finalidad de encontrar el flujo de etanol óptimo se realizó la prueba de desempeño
a 50 °C para diferentes flujos con un rango de 1 a 5 mL/min por celda. La curva de
polarización se muestra en la figura 4-13.
Figura 4-13 Curva de desempeño a diferentes valores de flujo.
79
La densidad de potencia máxima fue de 10.24 mW/cm2 obtenida con un flujo de 3 mL/min,
el valor de potencial a circuito abierto fue de 5 V y la corriente máxima fue de 1.15 A
obteniendo un rango de potencia total de 5.7 W.
En la tabla 4-8 se pueden observar los valores máximos de operación de la PCC a
diferentes valores de flujo de etanol.
Tabla 4-8. Valores de desempeño de la PCC a diferentes flujos.
Flujo (mL/min) OCP (V) Densidad de corriente
(mA/cm2) Densidad de
potencia (mW/cm2)
1 2.18 2.1 1.71
3 3.72 4.51 5.48
5 4.51 6.32 10.24
A valores menores de 3 mL/min el flujo fue insuficiente y no se distribuyó uniformemente a
través de cada una de las celdas, disminuyendo la potencia de la PCC.
El incremento en el flujo aumentó la potencia como se observó al cambiar de 1 mL/min a
3 mL/min. Sin embargo al aumentar demasiado (6 mL/min), la temperatura empezó a
descender por el efecto de enfriamiento y disminuyó el potencial total. Este
comportamiento se ha visto en una PCC de metanol en la cual se evaluó el efecto del flujo
en la potencia, notando que al aumentar de 15 mL/min a 19 mL/min tenían una caída de
1.5 W (60). A mayor flujo la presión estática aumenta lo que incrementa la permeación de
etanol del ánodo al cátodo creando potenciales mixtos por la oxidación del etanol en el
cátodo lo que evita aproximarse al potencial teórico y deteriorando el desempeño de la
PCC (18).
La densidad de potencia máxima alcanzada fue de 10.24 mW/cm2 a 50 °C, con una
concentración de 1 M de etanol diluido en agua y con un flujo en el ánodo de 3 mL/min,
empleando una carga de catalizador de 1 mg/cm2 de Pt-Ru/C. Para el caso del cátodo la
temperatura fue de 50 °C, con un flujo de 193 mL/min y una carga de catalizador de 1
mg/cm2 de Pt/C.
Pramanik et al, evaluaron una mono-celda de etanol directo con 5 cm2 de área activa y se
reportó una densidad de potencia máxima de 6 mW/cm2 utilizando una temperatura de
operación de 42 °C, un flujo de 1.2 mL/min, con una concentración de 1 M y empleando
una carga de 1 mg/cm2 de Pt-Ru/C en el ánodo y 1 mg/cm2 de Pt-black HSA en el cátodo
(15). Los valores obtenidos para la PCC están dentro del orden de magnitud para la
densidad de potencia máxima reportada en la literatura.
80
4.3.3 Prueba de impedancia
La prueba de espectroscopía de impedancia electroquímica fue aplicada en un rango de
frecuencia de 25 kHz a 0.1 kHz con una amplitud de 5 mV. En la gráfica de Nyquist, figura
4-14, la resistencia óhmica tuvo un valor de 0.85 y se obtuvo en el punto de
intersección con el eje Z’ donde no existe componente imaginaria.
Figura 4-14. Diagrama de Niquist para el espectro de impedancia de la PCC.
Para una PCC la resistencia total óhmica está en función del número de celdas y se observa en la región izquierda de la gráfica de Nyquist donde se encuentra el rango de las altas frecuencias dentro del espectro de impedancia y esta dada por la fórmula (61).
Donde:
Es la resistencia óhmica de la PCC.
Es la resistencia de los cables de medición. Es el número de celdas.
Es la resistencia por celda. La resistencia óhmica de los cables fue tomada del catálogo del fabricante con un valor
de 0.02 y para el cálculo se consideraron diez celdas. Finalmente la resistencia por
celda fue de 0.083 .
Se obtuvo el circuito equivalente de la PCC empleando el programa Nova® de Autolab, se
ajustó el modelo a los datos experimentales obteniendo convergencia con un grado de
confiabilidad de 2 =0.0015584, valor aceptable para validar el modelo. El circuito
equivalente se puede observar en la, figura 4-15.
0.85 ()
81
Figura 4-15. Circuito equivalente de la PCC.
El circuito equivalente obtenido tiene las características de una celda tipo Randell en
donde la zona azul corresponde a la parte anódica de la PCC, (R1) representa la
resistencia a la transferencia de carga en el ánodo y esta conectada en paralelo con un
elemento de fase constante (CPE) el cual puede tomar diferentes interpretaciones, en
este caso el valor de su exponente N es cercano a 1 por lo que se considera como un
capacitor y representa la doble capa capacitiva del electrodo (62). La inductancia (L) esta
asociada a los efectos producidos por el colector de corriente ya que crean una señal
cuyo comportamiento esta asociado con un campo magnético característico de los
metales (63).
La resistencia R2 representa la resistencia del electrolito y corresponde a la oposición al
paso de protones a través de la membrana polimérica. Este valor ya fue analizado
anteriormente.
En el circuito rojo esta presente la resistencia a la transferencia de carga en el cátodo
(R3) en serie con la resistencia de Warburg la cual representa los procesos de
transferencia de masa debido a la difusión de los reactantes, este comportamiento se
aprecia en las frecuencias bajas del espectro debido a que la escala de tiempo es mas
grande. Esta compuesta por una resistencia en serie con una capacitancia cuya pendiente
es unitaria y presenta una relación lineal entre la impedancia real y la impedancia
imaginaria (64), se puede observar en la zona de trasferencia de masa de la gráfica de
Nyquist, figura 4-16.
Los elementos R3 y W están conectados en paralelo con un capacitor (C) que representa
la doble capa capacitiva del electrodo catódico y cuya carga se considera distribuida a lo
largo de los poros (62).
La resistencia total de polarización es la suma de la resistencia de transporte de carga del
ánodo y la del cátodo .
R1
R2
R3
Ánodo Cátodo Electrolito
CPE
82
En las celdas de etanol la resistencia de polarización en el ánodo (102 m) es mayor
debido a la oxidación de 12 H+ en comparación a la del cátodo (65.4 m) que sólo se
reducen 4 H+. Es posible obtener una aproximación del valor a través de la gráfica de
Nyquist, figura 4-16, extrapolando la curva característica del cátodo hacia el eje de
impedancia real.
Figura 4-16. Grafica de Nyquist para una PCC de etanol directo.
De manera que utilizando la herramienta de ajuste de círculo electroquímico, en el
programa Nova de Autolab®, sobre el modelo del circuito eléctrico equivalente analizado
anteriormente fue posible obtener el valor de , figura 4-17.
Figura 4-17. Ajuste de círculo electroquímico para conocer Rpol.
83
El valor obtenido de la resistencia de polarización de la PCC fue de 128.95 m. La
resistencia total será la suma de la resistencia óhmica más la resistencia de
polarización .
+
Por tanto la resistencia total fue de 978.95 m, en este caso el valor de la resistencia a la
polarización fue menor, por lo que la mayor parte de la pérdidas están relacionadas con la
resistencia óhmica que representa un 84.5%.
La resistencia óhmica no se atribuye a los materiales de conducción electrónica (platos
bipolares, soporte de carbón, papel carbón, colectores, etc), ya que estos componentes
tienen una alta conductividad y la presión de ensamble calculada permitió tener baja
resistencia de contacto eléctrico. Por esto las pérdidas principalmente se deben a la
resistencia iónica por el diseño del ensamble EME.
En este sentido considerando que el método de prensado fue el adecuado de acuerdo
con la literatura consultada (45) y que la membrana fue completamente hidratada antes
de realizar las pruebas de impedancia, el problema radica en la cantidad de Nafion® en
solución acuosa que contiene la tinta con la cual se fabricó el electrodo, esto afectó la
conducción iónica de manera que como se ha reportado en trabajos realizados con
variaciones de carga de Nafion® en solución acuosa es necesario aumentar la cantidad
para obtener menor resistencia y facilitar el transporte de iones en la interface electrodo
membrana. El aumento de este polímero refuerza los caminos de conducción y no afecta
a la conducción electrónica (65).
4.4 Discusión general
Como resultado de la simulación del plato final se determinó que el prototipo d presentó
menor desplazamiento (3.352 mm) debido a la distribución equidistante de los tornillos y
la implementación de un chaflán de 20 mm en las esquinas, por lo tanto fue seleccionado
para su posterior fabricación.
Utilizando los valores geométricos y las propiedades mecánicas de cada uno de los
componentes de la PCC, fue posible determinar el torque de ensamble. Los valores
fueron introducidos en una serie de ecuaciones que tienen como fundamento la ecuación
hertziana. El torque calculado fue de 20 lb-in para lograr una presión de contacto entre los
componentes de 2 MPa.
Para obtener el prototipo A24 de platos bipolares fue necesario el mejoramiento de la
geometría de los canales utilizando tres sub-canales triple serpentín paralelo para lograr
una distribución de combustible homogéneo en el área de reacción. Los canales tuvieron
84
1.5 mm de ancho y 1.5 mm de profundidad, valores que permitieron un flujo continuo con
baja caída de presión.
La etapa de acondicionamiento de los sensores permitió que se aprovecharan de manera
eficiente las todas entradas analógicas del DAQ arrojando valores de medición superiores
a 1 V, ideales para la configuración de conexión single-ended no referenciado. Esto
permitió eliminar el sistema de multiplexado mejorando la calidad de la adquisición de las
señales.
Se encontraron las condiciones de operación óptimas para el prototipo desarrollado a una
temperatura de operación de la PCC de 50 °C, con un flujo de etanol en el ánodo de 3
mL/min y una concentración de 1 M etanol-agua. El flujo de aire en el cátodo para
alcanzar el punto de operación óptima fue de 193 mL/min a 80% de humedad relativa y
con una presión de 309 kPa. Con estas condiciones fue posible obtener una mayor
potencia con una corriente máxima de 1.15 A, un potencial máximo de 5V y con un rango
de potencia total de 5.7 W. La resistencia óhmica de la PCC fue de 0.089 por celda,
este valor se encuentra dentro del rango óptimo reportado en la literatura, por lo que el
torque calculado para el ensamble fue correcto. Sin embargo, la resistencia óhmica
debida a los componentes es mínima, ya que la conductividad eléctrica es alta. Por lo
tanto la resistencia óhmica se debe principalmente a que la fabricación del EME no
permite una buena conductividad iónica.
85
CONCLUSIONES
86
Para realizar el escalamiento de los campos de flujo, fue necesario establecer una
metodología que tomara en cuenta los parámetros geométricos del canal como son
longitud, ancho y profundidad, estos valores se determinaron con base en los
requerimientos de densidad de corriente y el área de reacción. Se realizó la simulación y
el análisis computacional para determinar las características de distribución del
combustible al pasar a través del campo de flujo y conocer los valores de caída de
presión. De esta forma fue posible mejorar el diseño hasta que se llegó a un resultado
satisfactorio. Este método se comprobó observando el comportamiento del fluido a través
de los canales de flujo de triple serpentín paralelo en un plato bipolar fabricado con
acrílico transparente.
En el diseño del plato final, la distribución de los tornillos fue determinante para obtener
una compresión uniforme en la PCC. Se colocaron de manera equidistante, evitando
poner barrenos en las esquinas. Otro factor importante para el diseño fue el de redondear
las esquinas para evitar concentraciones de esfuerzos en las mismas. No se presentaron
fugas de combustible o fractura de componentes, por lo que la distribución de los
esfuerzos debidos a las fuerzas de ensamble de la PCC fue homogénea.
Fue posible calcular el torque requerido en cada tornillo para realizar el ensamble de la
PCC empleando la ecuación hertziana, esto fue de gran utilidad para evitar realizar
pruebas con diferentes espesores de sellos, lo que habría representado gastos
innecesarios de material, reactivos y tiempo de experimentación.
El cálculo de la transferencia de calor fue determinante para diseñar el sistema de
calentamiento, ya que permitió conocer el número de resistencias de calefacción que se
utilizarían y la posición de los sensores para monitorear los valores de temperatura en tres
puntos estratégicos de la PCC.
El sistema de control de operación permitió variar y estabilizar la temperatura de
calentamiento a diferentes valores para realizar la caracterización de la PCC. A su vez
permitió monitorear el comportamiento de la temperatura ocasionado por las diferentes
condiciones de prueba a las que fue sometida. Fue posible también monitorear la presión
y humedad relativa del aire en el cátodo.
La caracterización de la PCC mediante técnicas electroquímicas permitió conocer las
variables óptimas de operación. Se determinó que al aumentar la temperatura se obtuvo
mayor potencia y que su incremento en exceso representó problemas de permeación de
etanol del ánodo al cátodo creando potenciales mixtos y disminuyendo el potencial total.
El flujo también tuvo un papel importante puesto que el incremento del flujo de etanol
mejoró el rendimiento, sin embargo, un flujo muy elevado aumentó la permeación del
etanol ya que la presión estática es mayor. Asimismo, un elevado valor de flujo generó el
enfriamiento del sistema por efectos de convección debidos al aumento de la velocidad
87
del combustible, disminuyendo la temperatura de la PCC y provocando un descenso en la
potencia a circuito abierto.
La técnica de espectroscopia de impedancia permitió conocer los valores de resistencia
de la PCC. Asimismo, fue posible obtener el circuito eléctrico equivalente mediante el
cuál se determinó que la resistencia óhmica fue predominante sobre la resistencia de
polarización y por tanto las pérdidas de potencia se debieron principalmente al método de
fabricación del EME.
88
PERSPECTIVAS
89
Es necesario desarrollar nuevos métodos de fabricación de ensamble EME que permitan
utilizar menor cantidad de catalizador, mejoren las características de oxidación del etanol
y reducción del oxígeno en ambos electrodos, permitan tener un mejor desempeño en la
pila de combustible aumentando la potencia total y reduzcan los costos de fabricación.
Se debe mejorar la calidad de los sellos, debido a que se emplea el de silicón
sobrepuesto en acetato. Al integrarlos en una sola pieza se podrá tener un mejor control
en el espesor, será más fácil de instalar y mejorará la calidad del ensamble.
Para elevar la temperatura de operación de la pila a valores superiores a 60 °C, se debe
considerar otro material para la fabricación de los platos finales, puesto que la potencia de
las resistencias para calentar la celda genera temperaturas de 200 °C en la zona de
transferencia de calor y el acrílico puede llegar a deformarse si se eleva aún más. Se
propone continuar utilizando un polímero que soporte mayores temperaturas y no usar
placas metálicas para evitar problemas de corto circuito.
Con la finalidad de que el sistema de control de la pila sea autónomo y no dependa de
una computadora, se pueden emplear micro-controladores PICs para remplazar la tarjeta
DAQ y pantallas de siete segmentos que permitan monitorear las variables de operación
de la pila, brindando un diseño más compacto e independiente. Para evitar la etapa de
acondicionamiento de señales en los sensores de temperatura, se pueden usar sensores
digitales.
Utilizando la metodología de escalamiento presentada en este trabajo, es posible diseñar
una pila de mayor potencia, incrementando el área de reacción y el número de celdas. Sin
embargo, es necesario recalcular los valores de las resistencias de calefacción, tomando
en cuenta las nuevas dimensiones y las características de los materiales empleados para
calcular la transferencia de calor.
90
APÉNDICE I
91
Ecuaciones para el cálculo de torque en los tornillos de la pila de combustible.
Cálculo de la rigidez
Para calcular la rigidez de los componentes de la pila de combustible.
( (
(
)) )
((
)
)
Donde es la rigidez de la capa de la celda (plato bipolar o plato final, es el
grosor de la capa, es el módulo de Young (MPa), es el diámetro de la cabeza del
tornillo, es el ancho de la celda, es el ángulo del tornillo, es el diámetro de la
rondana y es el diámetro del barreno (36).
Figura I-1. Esquema del modelo para calcular la fuerza de compresión (36).
Diámetro de la cabeza del tornillo
Longitud total de la celda
Grosor de la capa
Altura de la tuerca
Diámetro del tornillo
Longitud del tornillo
92
Rigidez del eje del tornillo:
(
)
Donde es la rigidez del eje del tornillo (cuerpo del tornillo), es la longitud del ejedel
tornillo, es el diámetro del tornillo, es el diámetro del paso el tornillo, es el
diámetro de la raíz el tornillo.
Rigidez de la cabeza del tornillo
Rigidez de la tuerca
La rigidez total de la celda
∑
es el número de tornillos entre la sumatoria de la rigidez de todas las capas.
La rigidez total del tornillo
Donde es el módulo de Young del material con el que está fabricado el tornillo.
La rigidez total de la pila
Cálculo del torque de apriete
La fuerza de ensamble de la pila es determinada por:
93
Donde es el coeficiente de apriete deseado, es la fuerza requerida para la
compresión ideal de la GDL 75 micras, es la fuerza necesaria para liberar los tornillos,
es el cambio de fuerza requerida por la dilatación de debido al calentamiento de la
celda y es 0 hasta los 150 ºC
Donde es el coeficiente de implementación de la fuerza operacional igual a 0.5,
(coeficiente de seguridad).
El torque estará dado entonces por
(
)
Donde es la fuerza de ensamble de la pila, paso del tornillo, es el asentamiento
del tornillo, es el coeficiente de fricción de la cuerda del tornillo.
(
)
Donde es el diámetro interno de la rondana, el coeficiente de fricción de la rondana
94
APÉNDICE II
95
Programas en código G para el maquinado de los componentes de la celda en
CNC.
Código plato bipolar ánodo
G90
G21
G00 X0 Y0 Z5
G00 X12 Y16.4
G00 Z0
G01 Z-0.5 F30
G03 X12 Y13.6 R1.4
G01 X87.5 Y13.6
G03 X89.25 Y15.35 R1.75
G01 X89.25 Y25.85
G03 X89.25 Y27.6 R1.75
G01 X17.6 Y27.6
G02 X16.35 Y29 R1.259
G02 X16.35 Y30.4 R1.259
G01 X88 Y30.4
G03 X88 Y33.2 R1.4
G01 X15.3 Y33.2
G03 X13.55 Y31.45 R1.75
G01 X13.55 Y26.55
G03 X15.3 Y24.8 R1.75
G01 X84.7 Y24.8
G02 X86.45 Y23.05 R1.75
G01 X86.45 Y18.15
G02 X84.7 Y16.4 R1.75
G01 X12 Y16.4
G02 X12 Y19.2 R1.4
G01 X82.4 Y19.2
G03 X83.65 Y20.6 R1.259
G03 X82.4 Y22 R1.259
G01 X12.5 Y22
G02 X10.75 Y23.75 R1.75
G01 X10.75 Y34.25
G02 X12.5 Y36 R1.75
G01 X88 Y36
G02 X88 Y33.2 R1.4
G00 Z0
G00 Z5
G00 X12 Y41.6
G00 Z0
G01 Z-0.5
G03 X12 Y38.8 R1.4
G01 X87.5 Y38.8
G03 X89.25 Y40.55 R1.75
G01 X89.25 Y51.05
96
G03 X89.25 Y52.8 R1.75
G01 X17.6 Y52.8
G02 X16.35 Y54.2 R1.259
G02 X16.35 Y55.6 R1.259
G01 X88 Y55.6
G03 X88 Y58.4 R1.4
G01 X15.3 Y58.4
G03 X13.55 Y56.65 R1.75
G01 X13.55 Y51.75
G03 X15.3 Y50 R1.75
G01 X84.7 Y50
G02 X86.45 Y48.25 R1.75
G01 X86.45 Y43.35
G02 X84.7 Y41.6 R1.75
G01 X12 Y41.6
G02 X12 Y44.4 R1.4
G01 X82.4 Y44.4
G03 X83.65 Y45.8 R1.259
G03 X82.4 Y47.2 R1.259
G01 X12.5 Y47.2
G02 X10.75 Y48.95 R1.75
G01 X10.75 Y59.45
G02 X12.5 Y61.2 R1.75
G01 X88 Y61.2
G02 X88 Y58.4 R1.4
G01 Z0
G00 Z5
G00 X12 Y66.8
G00 Z0
G01 Z-0.5
G03 X12 Y64 R1.4
G01 X87.5 Y64
G03 X89.25 Y65.75 R1.75
G01 X89.25 Y76.25
G03 X89.25 Y78 R1.75
G01 X17.6 Y78
G02 X16.35 Y79.4 R1.259
G02 X16.35 Y80.8 R1.259
G01 X88 Y80.8
G03 X88 Y83.6 R1.4
G01 X15.3 Y83.6
G03 X13.55 Y81.85 R1.75
G01 X13.55 Y76.95
G03 X15.3 Y75.2 R1.75
G01 X84.7 Y75.2
G02 X86.45 Y73.45 R1.75
G01 X86.45 Y68.55
G02 X84.7 Y66.8 R1.75
G01 X12 Y66.8
G02 X12 Y69.6 R1.4
G01 X82.4 Y69.6
G03 X83.65 Y71 R1.259
97
G03 X82.4 Y72.4 R1.259
G01 X12.5 Y72.4
G02 X10.75 Y74.15 R1.75
G01 X10.75 Y84.65
G02 X12.5 Y86.4 R1.75
G01 X88 Y86.4
G02 X88 Y83.6 R1.4
G01 Z0
G00 Z5
G00 X85.425 Y86.4
G00 Z0
G01 Z-0.5
G02 X88.93 Y88.829 R3.75
G01 X90.359 Y92.619
G03 X90.359 Y92.618 R1.75
G03 X93.659 Y91.443 R1.75
G01 X90.359 Y92.619
G02 X90.359 Y92.618 R1.75
G02 X93.659 Y91.443 R1.75
G02 X92.445 Y87.832
G03 X92.25 Y86.637 R3.75
G01 X92.25 Y80.05
G01 X92.25 Y89.551
G01 X90.7 Y90.38
G01 X90.7 Y80.05
G01 X89.4 Y81.557
G01 X89.4 Y89.55
G01 X89.4 Y80.8
G01 X88 Y80.8
G01 X89 Y80.8
G02 X91.75 Y78.05 R2.75
G01 X91.75 Y63.95
G02 X89 Y61.2 R2.75
G01 X88 Y61.2
G01 X90.15 Y61.2
G01 X90.15 Y55.6
G01 X88 Y55.6
G01 X89 Y55.6
G03 X91.75 Y52.85 R2.75
G01 X91.75 Y38.75
G02 X89 Y36 R2.75
G01 X88 Y36
G01 X90.25 Y36
G03 X90.25 Y31.95
G01 X91.75 Y32.359
G01 X88.523 Y30.501
G01 X91.39 Y31.659
G03 X92.25 Y32.843 R1.25
G01 X92.25 Y86.637
G01 Z0
98
G00 Z5
G00 X14.575 Y13.6
G00 Z0
G01 Z-0.5
G03 X11.070 Y11.171 R3.75
G01 X9.641 Y7.381
G03 X9.641 Y7.382 R1.75
G03 X6.341 Y8.557 R1.75
G01 X9.641 Y7.381
G02 X9.641 Y7.382 R1.75
G02 X6.341 Y8.557 R1.75
G01 X7.555 Y12.168
G03 X7.75 Y13.363 R3.75
G01 X7.75 Y19.95
G01 X7.75 Y10.449
G01 X9.3 Y9.62
G01 X9.3 Y19.95
G01 X10.6 Y18.443
G01 X10.6 Y10.450
G01 X10.6 Y19.2
G01 X12 Y19.2
G01 X11 Y19.2
G02 X8.25 Y21.95 R2.75
G01 X8.25 Y36.05
G02 X11 Y38.8 R2.75
G01 X12 Y38.8
G01 X9.85 Y38.8
G01 X9.85 Y44.4
G01 X12 Y44.4
G01 X11 Y44.4
G03 X8.25 Y47.15 R2.75
G01 X8.25 Y61.25
G02 X11 Y64 R2.75
G01 X12 Y64
G01 X9.75 Y64
G01 X9.75 Y68.05
G01 X8.25 Y67.641
G01 X11.477 Y69.499
G01 X8.610 Y68.341
G03 X7.75 Y67.157 R1.25
G01 X7.75 Y13.363
G01 Z0
G00 Z5
G00 X0 Y0
M02
99
Código plato bipolar cátodo
G90
G21
G00 X0 Y0 Z5
G00 X14.967 Y14
G00 Z0
G01 Z-0.5 F30
G01 X86.5 Y14
G03 X86.5 Y17 R2.5
G01 X13.5 Y17
G02 X13.5 Y20 R2.5
G01 X86.5 Y20
G03 X86.5 Y23 R2.5
G01 X13.5 Y23
G02 X13.5 Y26 R2.5
G01 X86.5 Y26
G03 X86.5 Y29 R2.5
G01 X13.5 Y29
G02 X13.5 Y32 R2.5
G01 X86.5 Y32
G03 X86.5 Y35 R2.5
G01 X13.5 Y35
G02 X13.5 Y38 R2.5
G01 X86.5 Y38
G03 X86.5 Y41 R2.5
G01 X13.5 Y41
G02 X13.5 Y44 R2.5
G01 X86.5 Y44
G03 X86.5 Y47 R2.5
G01 X13.5 Y47
G02 X13.5 Y50 R2.5
G01 X86.5 Y50
G03 X86.5 Y53 R2.5
G01 X13.5 Y53
G02 X13.5 Y56 R2.5
G01 X86.5 Y56
G03 X86.5 Y59 R2.5
G01 X13.5 Y59
G02 X13.5 Y62 R2.5
G01 X86.5 Y62
G03 X86.5 Y65 R2.5
G01 X13.5 Y65
G02 X13.5 Y68 R2.5
G01 X86.5 Y68
G03 X86.5 Y71 R2.5
G01 X13.5 Y71
G02 X13.5 Y74 R2.5
G01 X86.5 Y74
G03 X86.5 Y77 R2.5
G01 X13.5 Y77
G02 X13.5 Y80 R2.5
100
G01 X86.5 Y80
G03 X86.5 Y83 R2.5
G01 X13.5 Y83
G02 X13.5 Y86 R2.5
G01 X86.5 Y86
G00 Z0
G00 Z5
G00 X83.549 Y86
G00 Z0
G01 Z-0.5
G03 X86.728 Y87.571 R4
G01 X90.808 Y92.911
G02 X90.808 Y92.910 R1.5
G02 X92.974 Y90.859 R1.5
G01 X90.808 Y92.911
G03 X90.808 Y92.910 R1.5
G03 X92.974 Y90.859 R1.5
G01 X87.837 Y86.472
G02 X86.546 Y86 R3
G01 X90.289 Y90.193
G01 X87.262 Y86.95
G01 X86.546 Y86
G01 X83.549 Y86
G00 Z0
G00 Z5
G00 X16.451 Y14
G00 Z0
G01 Z-0.5
G03 X13.272 Y12.429 R4
G01 X9.192 Y7.089
G03 X9.192 Y7.090 R1.5
G03 X7.026 Y9.141 R1.5
G01 X9.192 Y7.089
G02 X9.192 Y7.090 R1.5
G02 X7.026 Y9.141 R1.5
G01 X12.163 Y13.528
G02 X13.454 Y14 R3
G01 X9.711 Y9.807
G01 X12.738 Y13.05
G01 X13.454 Y14
G01 X16.451 Y14
G00 Z0
G00 Z5
G00 X0 Y0
M02
101
Código Plato final (RECTIFICADO DE PLATO FINAL 5/32")
G90
G21
N00 G00 Z5
N01 G00 X0 Y0
N02 G00 X21.98 Y0
N03 G00 Z0
N04 G01 Z-1 F10
N05 G01 X111.98 Y0 F100
N06 G03 X133.96 Y21.98 R21.98 F40
N07 G01 X133.96 Y111.98 F100
N08 G03 X111.98 Y133.96 R21.98 F40
N09 G01 X21.98 Y133.96 F100
N10 G03 X0 Y111.98 R21.98 F40
N11 G01 X0 Y21.98 F100
N12 G03 X21.98 Y0 R21.98 F40
N13 G01 Z-2 F10
N14 G01 X111.98 Y0 F100
N15 G03 X133.96 Y21.98 R21.98 F40
N16 G01 X133.96 Y111.98 F100
N17 G03 X111.98 Y133.96 R21.98 F40
N18 G01 X21.98 Y133.96 F100
N19 G03 X0 Y111.98 R21.98 F40
N20 G01 X0 Y21.98 F100
N21 G03 X21.98 Y0 R21.98 F40
N22 G01 Z-3 F10
N23 G01 X111.98 Y0 F100
N24 G03 X133.96 Y21.98 R21.98 F40
N25 G01 X133.96 Y111.98 F100
N26 G03 X111.98 Y133.96 R21.98 F40
N27 G01 X21.98 Y133.96 F100
N28 G03 X0 Y111.98 R21.98 F40
N29 G01 X0 Y21.98 F100
N30 G03 X21.98 Y0 R21.98 F40
N31 G01 Z-4 F10
N32 G01 X111.98 Y0 F100
N33 G03 X133.96 Y21.98 R21.98 F40
N34 G01 X133.96 Y111.98 F100
N35 G03 X111.98 Y133.96 R21.98 F40
N36 G01 X21.98 Y133.96 F100
N37 G03 X0 Y111.98 R21.98 F40
N38 G01 X0 Y21.98 F100
N39 G03 X21.98 Y0 R21.98 F40
N40 G01 Z-5 F10
N41 G01 X111.98 Y0 F100
N42 G03 X133.96 Y21.98 R21.98 F40
N43 G01 X133.96 Y111.98 F100
N44 G03 X111.98 Y133.96 R21.98 F40
N43 G01 X21.98 Y133.96 F100
102
N44 G03 X0 Y111.98 R21.98 F40
N45
G01 X0 Y21.98 F100
N46 G03 X21.98 Y0 R21.98 F40
N47 G01 Z-6 F10
N48 G01 X111.98 Y0 F100
N49 G03 X133.96 Y21.98 R21.98 F40
N50 G01 X133.96 Y111.98 F100
N51 G03 X111.98 Y133.96 R21.98 F40
N52 G01 X21.98 Y133.96 F100
N53 G03 X0 Y111.98 R21.98 F40
N54 G01 X0 Y21.98 F100
N55 G03 X21.98 Y0 R21.98 F40
N56 G01 Z-7 F10
N57 G01 X111.98 Y0 F100
N58 G03 X133.96 Y21.98 R21.98 F40
N59 G01 X133.96 Y111.98 F100
N60 G03 X111.98 Y133.96 R21.98 F40
N61 G01 X21.98 Y133.96 F100
N62 G03 X0 Y111.98 R21.98 F40
N63 G01 X0 Y21.98 F100
N64 G03 X21.98 Y0 R21.98 F40
N65 G01 Z-8 F10
N66 G01 X111.98 Y0 F100
N67 G03 X133.96 Y21.98 R21.98 F40
N68 G01 X133.96 Y111.98 F100
N69 G03 X111.98 Y133.96 R21.98 F40
N70 G01 X21.98 Y133.96 F100
N72 G03 X0 Y111.98 R21.98 F40
N73 G01 X0 Y21.98 F100
N74 G03 X21.98 Y0 R21.98 F40
N75 G01 Z-9 F10
N76 G01 X111.98 Y0 F100
N77 G03 X133.96 Y21.98 R21.98 F40
N78 G01 X133.96 Y111.98 F100
N79 G03 X111.98 Y133.96 R21.98 F40
N80 G01 X21.98 Y133.96 F100
N81 G03 X0 Y111.98 R21.98 F40
N82 G01 X0 Y21.98 F100
N83 G03 X21.98 Y0 R21.98 F40
N84 G01 Z-10.2 F10
N85 G01 X111.98 Y0 F100
N86 G03 X133.96 Y21.98 R21.98 F40
N87 G01 X133.96 Y111.98 F100
N88 G03 X111.98 Y133.96 R21.98 F40
N89 G01 X21.98 Y133.96 F100
N90 G03 X0 Y111.98 R21.98 F40
N91 G01 X0 Y21.98 F100
N92 G03 X21.98 Y0 R21.98 F40
N93 G00 Z5
N94 G01 X0 Y0
N95 M02
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