Treball Pila Hidrogen

Treball de Fi de Grau

Disseny i Fabricació d’una Pila de Combustible d’Hidrogen

Toni Garcia Clarés

Marc Pulido Banal

Grau en Enginyeria Mecatrònica

Tutor: Raimon Pericas Casals Vic, Setembre de 2015

U Science Tech Facultat de Ciències i Tecnologia UVIC-UCC

RESUM DEL TREBALL FINAL DE GRAUGrau en Enginyeria Mecatrònica

Títol: Disseny i fabricació d’una Pila de combustible d’hidrogen

Paraules claus: PEMFC, MEA, TEP, Stack, Serpentine

Autors: Toni Garcia Clarés i Marc Pulido Banal

Tutor: Raimon Pericas Casals

Data: Setembre de 2015

El projecte té el propòsit de dissenyar i fabricar una pila de combustible que transformi hidrogen en electricitat.

L’altre intenció de l’elaboració d’aquest projecte és la de posar en pràctica diferents coneixements adquirits durant el grau d’enginyeria, unir-los i arribar a una resolució de conclusions.

En aquest projecte haurem d’estudiar els diferents tipus de piles que existeixen, comprendre el seu funcionament i posteriorment dissenyar i fabricar la pila.

Una pila de combustible PEM és un sistema que transforma un combustible com l’hidrogen en energia elèctrica. La principal característica d’aquest tipus de piles és la integració d’un electròlit sòlid que treballa a baixa temperatura i obté una bona eficiència energètica. Es tracte d’un polímer aïllant dels electrons, de l’hidrogen i de l’oxigen que permet un ràpid transport de protons.

Aquests tipus de piles s’implementen com a sistemes d’obtenció d’energia elèctrica, en sistemes de suport per a edificis, habitatges en zones aïllades i, on més s’aposta, és en sistemes de transport.

Una part fonamental del projecte és el correcte disseny del sistema i els càlculs corresponents per obtenir els objectius preestablerts.

Toni Garcia Clarés i Marc Pulido Banal


Abstract of Final Degree ProjectMechatronics Engineering Grade

Title: Disseny i fabricació d’una Pila de combustible d’hidrogen

Key words: PEMFC, MEA, TEP, Stack, Serpentine

Authors: Toni Garcia Clarés i Marc Pulido Banal

Directorate: Raimon Pericas Casals

Date: September, 2015

The project aims to design and manufacture a fuel cell that transforms hydrogen into electricity.

The other aim to develop in this project is to implement the knowledge acquired during the engineering grade, join it and reach a resolution of conclusions.

In this project we will study the different types of cells that exist, understand their operation and then design and build the stack.

A PEM fuel cell is a system that converts a fuel such as hydrogen into electrical energy. The main feature of this type of battery is the integration of a solid electrolyte that works at low temperatures and gets a good energy efficiency. It is about a polymer insulator electrons from hydrogen and oxygen which allows quick transport of protons.

Such stacks are implemented as systems for obtaining electrical energy support systems for buildings, homes in isolated areas and the area where are more commited is in transport systems.

A fundamental part of the project is the right system design and calculations for corresponding with the objectives.



AGRAÏMENTS

Aquest treball de final de grau ha estat fet sota la supervisió de Raimon Pericas Casals, a qui voldríem agrair el seu temps i dedicació, que ha fet possible la realització d’aquest projecte.

Agrair també a Jordi Llorca Piqué com a professional en matèria energètica i gran coneixedor de les piles de combustible, qui va ajudar a enfocar i resoldre diversos problemes d’aquest caràcter.

Per últim agrair a Miquel Caballeria Suriñach, Carles Domenech Mestres, M. Àngels Crusellas Font i Xavier Armengol Vila, que gràcies als coneixements impartits a les seves classes han ajudat a l’execució del treball.

A l’empresa Joan Font Vilagran pel mecanitzat de les peces.



RESUM DEL TREBALL FINAL DE GRAU

Abstract of Final Degree Project

AGRAÏMENTS

CAPÍTOL 1. INTRODUCCIÓ 1................................................................................

1.1 Motivació: 1.......................................................................................................

1.2 Objectius i Hipòtesis: 1.....................................................................................

1.2.1 Objectius: 1.....................................................................................................

1.2.2 Hipòtesis: 2.....................................................................................................

1.3 Metodologia: 2...................................................................................................

1.3.1 Plantejament del projecte: 2..........................................................................

1.3.2 Recerca d’informació: 2.................................................................................

1.3.3 Disseny i implementació: 2...........................................................................

CAPÍTOL 2. INTRODUCCIÓ A LES PILES DE 3....................................................

COMBUSTIBLE 3.....................................................................................................

2.1 Descripció i situació actual: 3..........................................................................

2.2 Camps d’aplicació: 4.........................................................................................

2.3 Pila amb Membrana de Intercanvi de Protons: 5...........................................

2.4 Funcionament de la pila PEM: 5......................................................................

2.5 Tipus de PEM: 7.................................................................................................

CAPÍTOL 3. EL COMBUSTIBLE: Hidrogen 12.......................................................


íNDEX:


3.1 Descripció: 12....................................................................................................

3.2 La producció de l’hidrogen: 13........................................................................

3.2.1 Processos industrials: 14..............................................................................

3.2.2 Processos renovables: 14.............................................................................

3.3 Emmagatzemat i distribució d’hidrogen: 17...................................................

CAPÍTOL 4. DISSENY D’UNA PILA DE 20.............................................................

COMBUSTIBLE PEM 20..........................................................................................

4.1 El disseny: 20...................................................................................................

4.2 Dimensionat general: 20...................................................................................

4.3 Dimensionat dels elèctrodes: 21.....................................................................

4.4 Dimensionat de la membrana: 22....................................................................

4.5 Dimensionat de la MEA: 23..............................................................................

4.6 Dimensionat de les plaques bipolars: 24........................................................

4.6.1 Tipus de plaques bipolars: 25.......................................................................

4.7 Dimensionat del segellat: 28............................................................................

4.8 Dimensionat dels col·lectors: 29.....................................................................

4.9 Dimensionat de les tapes: 29...........................................................................

4.10 Dimensionat dels sistemes de fixació: 30....................................................

4.10.1 Selecció dels components: 30....................................................................

4.10.2 Càlcul d’ajust: 32..........................................................................................

4.11 Circulació del combustible i gasos: 33.........................................................



CAPÍTOL 5. PROCÉS DE FABRICACIÓ DE LA 35...............................................

PILA DE COMBUSTIBLE PEM 35...........................................................................

5.1 Llistat de materials del primer prototip: 35.....................................................

5.2 Fabricació de les plaques bipolars: 35...........................................................

5.3 Fabricació de les tapes: 37...............................................................................

5.4 Adaptació de les MEA: 38.................................................................................

5.5 Fabricació del segellat: 38................................................................................

5.6 Fabricació dels col·lectors: 39.........................................................................

5.7 Muntatge de la pila de combustible (primer prototip): 39.............................

5.8 Proves de funcionament del primer prototip: 40...........................................

5.9 Llistat de materials del segon prototip: 40.....................................................

5.10 Fabricació de les plaques bipolars: 41.........................................................

5.11 Fabricació del segellat: 43..............................................................................

5.12 Muntatge de la pila de combustible (segon prototip): 44............................

5.13 Proves de funcionament del segon prototip: 45..........................................

CAPÍTOL 6. CONCLUSIONS 47..............................................................................

6.1 Millores: 47.........................................................................................................

CAPÍTOL 7. BIBLIOGRAFIA 48..............................................................................

7.1 Bibliografia consultada: 48..............................................................................

7.2 Pàgines web consultades: 49..........................................................................



Taula 1. Comparativa entre les diferents piles Adaptat de:[W 3]. 4.................................................

Taula 2. Comparativa entre pila de baixa i alta temperatura Adaptat de:[W 4]. 11.........................

Taula 3. Comparativa combustibles Adaptat de:[W 5],[W 6] i [W 7]. 12..........................................

Taula 4. Producció europea d’hidrogen 2009-2013 Font:[W 13]. 13................................................

Taula 5. Comparativa del preu de producció Adaptat de:[W 9]. 15.................................................

Taula 6. Valors preestablerts per la PEM. 20.....................................................................................

Taula 7. Comparativa entre plaques de diversos materials Font:[A 13]. 24...................................

Taula 8. Llistat de materials per la construcció de la pila PEM 1. 35..............................................

Taula 9. Llistat de materials per la construcció de la pila PEM 2. 40..............................................

Taula 10. Comparativa entre plaques de diversos materials Font:[A 13]. 41.................................


íNDEX de Taules:


Fig. 1. Esquematització del funcionament d’una pila de combustible Adaptat de:[A 5]. 3...........

Fig. 2. Pila de combustible adaptada a un autobús Adaptat de:[W16]. 5.......................................

Fig. 3. Esquematització d’una pila d’H2 PEM Adaptat de:[W 3]. 6...................................................

Fig. 4. Síntesis de Nafion® Font:[A 6]. 7............................................................................................

Fig. 5. Síntesis de PBI Font:[A 6]. 8....................................................................................................

Fig. 6. Finestra de conductivitat 80 ºC - 120 ºC Adaptat de:[A 4]. 9................................................

Fig. 7. Tensió en funció densitat corrent de la cel·la PEM Adaptat de:[A 10] i [A 4]. 9..................

Fig. 8. Pèrdua de voltatge en la cel·la PEM Adaptat de:[A 10]. 10...................................................

Fig. 9. Imatge sobre l’hidròlisis de l’aigua Adaptat de:[W 10]. 16...................................................

Fig. 10. Evolució/projecció anual del cost sobre el transport de l’hidrogen Font:[A 2]. 18..........

Fig. 11. Estació d’hidrogen amb característiques en funció del vehicle Font: [W 14]. 19............

Fig. 12. Disseny d’una pila en Stack Font: [A 13]. 20........................................................................

Fig. 13. Corba de polarització i potència d’una MEA comercial Font:[A 10]. 22............................

Fig. 14. Esquema de la circulació de l’aigua en una PEMFC Font: [A 1]. 23..................................

Fig. 15. Conjunt d’elements que forma la MEA Adaptat de:[A 12]. 23.............................................

Fig. 16. Distribució en pin-type Font:[A 15]. Fig. 17. Concentració d’hidrogen 25..................

Fig. 18. Distribució en paral·lel Font:[A 15]. Fig. 19. Concentració d’hidrogen 25..................

Fig. 20. Distribució en Serpentine Font:[A 15]. Fig. 21. Concentració d’hidrogen 26................

Fig. 22. Placa bipolar davantera, distribució del flux d’hidrogen. 27..............................................

Fig. 23. Placa bipolar interior, distribució del flux d’hidrogen i d’oxigen. 27.................................

Fig. 24. Placa bipolar posterior, distribució del flux d’oxigen. 28...................................................


íNDEX de Figures:


Fig. 25. Segell de tefló per la MEA. 28................................................................................................

Fig. 26. Col·lector de coure. 29...........................................................................................................

Fig. 27. Tapa de policarbonat davantera. 30......................................................................................

Fig. 28. Tapa de policarbonat posterior. 30.......................................................................................

Fig. 29. Cargols M6 X 70mm i cap d’Allen. 30...................................................................................

Fig. 30. Volandera DIN125 M6. 31.......................................................................................................

Fig. 31. Femella papallona M6. 31.......................................................................................................

Fig. 32. Racor auto-blocant rosca 10mm. 31.....................................................................................

Fig. 33. Model 3D de la pila de combustible un cop acoblada. 33...................................................

Fig. 34. Diagrama del sentit de circulació de l’H2. 33.......................................................................

Fig. 35. Diagrama de la circulació d’O2 . 34......................................................................................

Fig. 36. Diagrama d’entrada de combustible i sortida de gasos. 34...............................................

Fig. 37. Model CAM a partir del plànol. 36.........................................................................................

Fig. 38.Tall amb torn manual. 36.........................................................................................................

Fig. 39. Fabricació d’una placa bipolar amb canal serpentine. 37..................................................

Fig. 40. Tapa de policarbonat posterior. 37.......................................................................................

Fig. 41. MEA adaptada. 38...................................................................................................................

Fig. 42. Segell de tefló. 38...................................................................................................................

Fig. 43. Tapa de policarbonat amb el col·lector de coure i racors. 39............................................

Fig. 44. Pila de combustible ja assemblada. 39................................................................................

Fig. 45. Plaques bipolars d’alumini. 41..............................................................................................

Fig. 46. Model en CAM de la placa bipolar. Fig. 47. Mecanització de l’alumini. 42........

Fig. 48. Segell de goma. 43.................................................................................................................Toni Garcia Clarés i Marc Pulido Banal


Fig. 49. Col·locació dels segells de goma sobre la MEA. 44...........................................................

Fig. 50. Tester mostrant la tensió de sortida de la pila. 46...............................................................



CAPÍTOL 1. INTRODUCCIÓ

1.1 Motivació:

L’al·licient principal que ens ha impulsat per a escollir aquest projecte ha estat la creixent necessitat d’implementar sistemes que s’alimentin amb energies renovables. És un sector en plena expansió del qual volem extreure’n coneixements. L’elecció de la transformació d’hidrogen ha estat fruit de l’interès personal de les dues parts involucrades en el treball. Des del nostre punt de vista l’electròlisi de l’aigua i la utilització de l’hidrogen com a vector energètic té un potencial enorme dins del sector de les energies renovables, el nostre objectiu és ser capaços de dissenyar i fabricar la nostra pròpia pila PEM a partir dels models actuals per a un posterior anàlisi de l’optimització dels recursos.

1.2 Objectius i Hipòtesis:

1.2.1 Objectius:

Els objectius del treball és basen en essència en l’aprenentatge, tant a nivell de recerca com d’implementació, de tot el procés de transformació i les propietats dels materials corresponents, des del combustible inicial (H₂) fins a l’obtenció final de electricitat passant per tots els estats intermedis i les reaccions químiques que suposen l’electròlisis i els processos de transformació de dins la pila PEM.

L’objectiu pràctic que ens marquem és el de realitzar un sistema alimentat únicament per energies renovables.

Un cop assolits els conceptes, el nostre objectiu és realitzar un anàlisi posterior i unes conclusions per tal d’intentar aportar conceptes per optimitzar el sistema emprat.

Toni Garcia Clarés i Marc Pulido Banal �1


1.2.2 Hipòtesis:

En essència la hipòtesi plantejada durant el projecte, és si mitjançant els estudis ja fets de piles de combustibles podem construir una pila PEM amb unes característiques diferenciadores que millorin les piles del mercat, oferint uns trets diferenciadors, ja sigui en estudi com en característiques de la seva fabricació, superiors a les estudiades fins ara.

1.3 Metodologia:

1.3.1 Plantejament del projecte:

Per tal d’elaborar una bon projecte, aquest es va estructurar en vàries parts. La primera es tractava de fer una recerca bibliogràfica sobre projectes de piles de combustible i així identificar les parts principals i els problemes que podien sorgir. La segona, un cop fet l’estudi va ser estudiar el millor disseny per implementar la pila. Finalment es van adquirir els materials i es va procedir amb la fabricació, muntatge i l’obtenció de conclusions.

1.3.2 Recerca d’informació:

La primera recerca va ser la de buscar els diferents tipus de piles de combustible i comparar les seves diferents característiques per tal de saber quines eren les més accessibles per la seva construcció dins de les nostres possibilitats. Ens varem fixar principalment amb els materials i les seves característiques de funcionament per saber si entraven dins el llindar econòmic i de seguretat a l’hora de fer proves de funcionament.

1.3.3 Disseny i implementació:

Una vegada es va saber de quin tipus de pila fèiem la cerca, es va adaptar un estudi de disseny als materials i a les característiques que havia d’incorporar la nostra pila de combustible. Per últim en funció del disseny i característiques, es va escollir els materials dels diferents components, es van fabricar, acoblar i es va procedir amb la resolució de les proves de funcionament.



CAPÍTOL 2. INTRODUCCIÓ A LES PILES DE

COMBUSTIBLE

2.1 Descripció i situació actual:

Les piles de combustible poden contribuir a aconseguir un ús més eficient de l’energia. Les piles de combustible cobreixen un ampli ventall d’aplicacions elèctriques, començant per les que deriven directament de la xarxa elèctrica fins a sistemes autònoms de generació d’electricitat i motors elèctrics per l’automoció. Una pila de combustible és un dispositiu de conversió directa d’energia que s’encarrega de transformar en energia elèctrica l’energia química d’un combustible. Per tant, aquests generadors transformen una reacció química en un treball elèctric. Una de les característiques principals d’aquestes piles és que el combustible i l’oxidant es troben a l’exterior de la pila i, al contrari que les bateries comunes, aquestes no emmagatzemen energia, sinó que en produeixen.

La pila de combustible és un sistema obert, que de manera continua consumeix combustible i comburent.

Fig. 1. Esquematització del funcionament d’una pila de combustible Adaptat de:[A 5].

Segons el tipus d’electròlit que utilitza una pila, se la cataloga en un grup diferent, havent-hi fins a 5 tipus principals de piles de combustible.L’electròlit s’encarrega de dues funcions. En primer lloc manté separades les semireaccions anòdica i catòdica, impedint el pas d’electrons i gasos a traves d’ella. Però permet el pas d’ions d’un elèctrode a l’altre, tancant el circuit entre els dos elèctrodes.Segons el circuit que utilitzem distingirem els següents tipus de pila de combustible (taula 1 [W3]).

1.Piles de combustible alcalines (AFC,Alkaline Fuel Cells).

2.Piles de combustible d’àcid fosfòric (PAFC,Phosphoric Acid Fuel Cells).


mailto:[email protected]?subject=


3.Piles de combustible de carbonats fosos (MCFC,Molten Carbonates Fuel Cells).

4.Piles de combustible d’òxid sòlid (SOFC,Solid Oxide Fuel Cells).

5.Piles de combustible d’electròlit polimèric (PEMFC,Proton Exchange Membrane Fuel Cells o Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cells).

Taula 1. Comparativa entre les diferents piles Adaptat de:[W 3].

2.2 Camps d’aplicació:

En funció de la seva aplicació agruparem les piles en diferents grups:

Estacionàries: Normalment instal·lades en hospitals, clíniques, hotels. Com a font de combustible primària o de suport.

Residencial: Connectades a la xarxa elèctrica o com a generadors en zones inaccessibles per a les línies elèctriques. Alguns prototips per a ús residencial extreuen hidrogen del gas natural i utilitzen la calor residual per escalfar aigua.

Transport: Cada vegada més fabricants d’automòbil tenen un vehicle que funciona amb cel·les de combustible. Moltes ciutats incorporen vehicles d’hidrogen dins la seva flota de transport public, com el projecte CUTE on Barcelona és participant en aquesta iniciativa, la finalitat d’aquest és implementar piles d’hidrogen com a energia neta per al transport de passatgers.

Tipus Electròlit Catalitzador Temperatura Potencia Eficiència

1 Alcalina Solució d’hidròxid de potassi en aigua

Diversos metalls

75-100ºC 10-100kW 60-70%

2 Àcid Fosfòric

Àcid fosfòric liquid

Platí 180-205ºC >10MW 35-45%

3 Carbonats Fosos

Carbonats alcalins

Diversos metalls

600-650ºC >100MW 50-60%

4 Òxid Sòlid Sòlid ceràmic

Diversos metalls

800-1000ºC >100kW 50-60%

5 PEM Polímer sòlid

Platí 80-100ºC 0,1-100KW 40-60%



Fig. 2. Pila de combustible adaptada a un autobús Adaptat de:[W16].

2.3 Pila amb Membrana de Intercanvi de Protons:

Les piles amb membrana d’intercanvi de protons o PEMFC (Proton Exchange Membrane Fuel Cells), es caracteritzen per incloure un electròlit format per una membrana polimèrica entre l’ànode i el càtode de la cel·la. La particularitat d’aquesta membrana es tracte d’un element que permet únicament el pas dels ions a través d’ella, però evita el pas de tots els altres elements.

Aquests tipus de piles van ser desenvolupades per la companyia nord americana General Electric, com a part del programa espacial Apollo als anys 60, en el que s’havia de subministrar energia elèctrica a la nau durant la seva missió orbital al voltant de la terra. Aquella cèl·lula de 120kg podia generar fins a 12kW i 0,9V de tensió per cel·la. L’empresa Grot, l’any 1972, va millorar la durabilitat del electròlit. El darrer gran avanç en aquest camp el van portar Gottesfel i Paffor l’any 1988 on van perfeccionar la pila amb un cicle anomenat air bleed que feia possible el seu funcionament amb hidrogen obtingut mitjançant alcohols o combustibles carbonatats.

2.4 Funcionament de la pila PEM:

A grans trets, una pila PEM es forma de tres parts: un elèctrode carregat positivament, anomenat ànode; un elèctrode carregat negativament, anomenat càtode; i, entremig, una membrana polimèrica.Per la placa bipolar de l’ànode s’hi introdueix el combustible (hidrogen), es filtra pels porus del difusor fins arribar al catalitzador, on hi ha la reacció d’oxidació [Eq.1]. Els protons circulen fins a travessar la membrana polimèrica, mentre que els electrons es veuen forçats a circular pel circuit extern, format per les capes difusores, on en aquest moment es crea un treball elèctric.



Pel costat del càtode l’oxigen reacciona amb els protons que hi arriben per mitjà de la membrana polimèrica i amb electrons del circuit, generant aigua i calor [Eq.2].

En cada part de la pila s’hi produeixen diferents operacions, fent que a cada una hi apareix-hi la seva reacció.

Les reaccions anteriorment descrites es poden formular de la següent manera:

En l’ànode trobem que s’hi produeix una dissociació de l’hidrogen, separant els ions (H+) dels electrons (e-).

H2 —> 2H+ + 2e- [Eq.1]

Mentre que en el càtode s’hi produeix la reducció de l’oxigen, provocant un canvi d’estat en el que, per mitjà dels protons que hi arriben, es convertirà en aigua.

1/2 O2 + 2H+ + 2e- —> H2O [Eq.2]

On la reacció global serà:

H2 + 1/2 O2 —> H2O [Eq.3]

Tot aquest procés a part de generar vapor d’aigua i electricitat, genera unes pèrdues en forma de calor. La temperatura de treball és una part important que té relació directa amb el rendiment de la pila ja que cada equip treballa a una determinada temperatura de funcionament. És per aixo que és necessari treballar amb la implementació d’un sistema de dissipació de la calor i així mantenir la temperatura constant. Aquest procés es pot veure de forma esquematitzada en la Fig.3 [W3].

Fig. 3. Esquematització d’una pila d’H2 PEM Adaptat de:[W 3].



2.5 Tipus de PEM:

Les PEM les podríem dividir en dos grups, les que treballen a baixa temperatura, anomenades LT PEMFC (Low Temperature PEMFC), i les que treballen a alta temperatura, anomenades HT PEMFC (High Temperature PEMFC). El que determina el rang de temperatures de treball de cada pila és el tipus de membrana que utilitzen.

Les membranes més utilitzades per les LT PEMFC són, fins a dia d’avui, les de polímers perfluorats, concretament, les membranes comercialment anomenades de Nafion®.El Nafion® és un copolímer sulfonat de tetrafluoroetilè de la mateixa família que el Tefló, però amb additius de perfluorovinil èter amb grups de sulfònic (HSO3), que va ser desenvolupat per DuPontTM l’any 1960.La seva característica principal és la seva resistència a la corrosió. S’han fet estudis sobre la durabilitat de les membranes en aplicacions PEM i ha quedat demostrat que poden arribar a les 60.000 hores de vida útil. Això és gràcies a les cadenes fixes de grups sulfònics, que es mantenen lligades entre elles i adquireixen una gran robustesa.

Fig. 4. Síntesis de Nafion® Font:[A 6].

Les seves condicions de treball ideal són amb alta humitat relativa i fins a una temperatura de 80ºC i amb aquestes condicions obtindríem una conductivitat de 7-2 S/cm. Per mantenir aquests valors cal mantenir constantment el correcte grau d’humitat de la membrana. Això ens planteja un problema: desenvolupar un sistema de gestió de l’aigua específic per la PEMFC. Quan la temperatura de la pila supera els 100ºC, la membrana es deshidrata i el transport de protons es redueix ràpidament i l’eficiència de la pila disminueix. Fig.6 [A 4].A més a més, aquest material resulta poc econòmic i és un factor important a tenir en compte.



Les HT PEMFC, treballen amb una membrana de polibenzimidazol (PBI) amb additius d’àcid fosfòric (H3PO4). Comercialitzada sota el nom de Celazole®, aquesta fibra pot suportar grans temperatures, ja que té un punt de fusió de 760ºC, i, gràcies a això, la conductivitat de la membrana millora com més alta és la temperatura.Segons l’article [A 7] les seves condicions ideals són baixa humitat i una temperatura d’entre 130 i 200ºC, amb que aconseguiríem una conductivitat de 1-2 a 6-2 S/cm. Com es pot deduir, el gran obstacle de la membrana és la seva poca conductivitat a baixes temperatures, al contrari del Nafion®.Un altre punt a tenir en compte és la seva durabilitat. Per mitjà d’estudis fets per Hu et al. en el article [A 8] i per Zhai et al. en [A 9], les membranes poden arribar a una durabilitat operativa de 100 hores, molt baixa si ho comparem amb les 50.000 hores del Nafion®.

Fig. 5. Síntesis de PBI Font:[A 6].

Si parlem de rendiment, estudis fets per la Universitat de Newcastle [A 10] comparen, sota les mateixes condicions, el rendiment d’una LT PEMFC amb membrana de Nafion® amb una HT PEMFC amb membrana PBI. Obtenen valors d’eficiència del 28,43% i 31,63%, respectivament i a mitja càrrega, i una eficiència amb càrrega completa de 34,73% i 35,97%, respectivament. En tots dos casos, la potència de sortida és de 3kW i amb una tensió de 0,65V, on es pot veure un major rendiment de la HT PEMFC.



Fig. 6. Finestra de conductivitat 80 ºC - 120 ºC Adaptat de:[A 4].

Tal i com es pot veure a la Fig.6 [A 4] la membrana PBI té una conductivitat una mica inferior comparada amb la Nafion®, però, en augmentar la temperatura, la membrana PBI millora.

Fig. 7. Tensió en funció densitat corrent de la cel·la PEM Adaptat de:[A 10] i [A 4].


Con

duct

ivita

t (S\

cm

)0,

000,

010,

020,

030,

040,

050,

060,

070,

08

Temperetura de treball (ºC)

40 60 80 100 120 140 160

Membranes convencionals (Nafion®) Membranes PBI

Finestra de treball

Volta

tge

(V)

0,2

0,4

0,6

0,7

0,9

1,1

Densitat de la corrent (A/cm2)0 0,2 0,4 0,6 0,8 1

HT-PEMFC LT-PEMFC


Fig. 8. Pèrdua de voltatge en la cel·la PEM Adaptat de:[A 10].

Si ens fixem en la Fig.7 [A 10] i [A 4], i prenent les mostres publicades per Authayanun et al. en el article [A 10], ens mostra que les MEAs comercials en el conjunt d’una pila tenen una finestra de treball amb densitats de corrent d’entre 0,2 a 0,5 A/cm2.Amb aquestes densitats obtenim uns valors màxims de tensió real de 0,6 i 0,8V, i mínims de 0,5 i 0,43V per les HT PEMFC i LT PEMFC respectivament.

Complementant l’estudi amb la Fig.8 [A 10], on es mostren les pèrdues de les cel·les en funció de la densitat, es pot observar com la zona crítica és la part del càtode on poden sorgir pèrdues de 0,37 a 0,5V per les HT PEMFC i pèrdues de 0,33 a 0,37V per les LT PEMFC.

Si sumem totes les pèrdues als valors de tensió real de les piles obtenim uns valors de 1,25V per les LT PEMFC i de 1,15V en les HT PEMFC.

Aquests valors de tensió també els podríem calcular de forma teòrica. Si tenim en compte la reacció formalitzada per la [Eq.3], on per aquesta reacció en una pila LT PEMFC, el canvi d’energia lliure de Gibbs molar a 80ºC i en el moment de formar-se aigua en estat líquid, pren el valor de -228,2 KJ·mol-1, i tenim en compte les reaccions entre l’ànode [Eq.1] i el càtode [Eq.2], sent N el nombre d’Avogadro i e la càrrega de l’electró.


Volta

tge

(V)

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

Densitat de la corrent (A/cm2)0 0,2 0,4 0,6 0,8 1

HT-PEMFC càtode LT-PEMFC càtode HT-PEMFC òhmicaLT-PEMFC òhmica HT-PEMFC ànode LT-PEMFC ànode


El treball emprat per transportar una càrrega es pot calcular en funció de l’expressió [Eq.4]

We = Q · E’ [Eq.4]

La Q representa la càrrega que s’ha de transportar i E’ la diferència de potencial. Si tota l’energia química es transforma en energia elèctrica, com a cas ideal obtenim la [Eq.5].

Δg = -2Ne · E’= 2F ·E’ [Eq.5]

La F és la constant de Faraday (96,5·103 C·mol-1). Podem calcular la diferència de potencial teòric en una pila de combustible amb la [Eq.6] i substituint Δg = -228,2 KJ·mol-1.

E’ = Δg / 2F [Eq.6]

Obtenim una tensió per una LT PEMFC de 1,18V, un valor molt pròxim a la diferència de potencial mostrada anteriorment.

En la següent taula es poden veure les principals característiques diferencials entre els dos models.

Taula 2. Comparativa entre pila de baixa i alta temperatura Adaptat de:[W 4].

LT PEMFC HT PEMFC

Temperatura de funcionament 80 - 100ºC 120 - 200ºC

Electròlit Basat en aigua Dopat amb àcid

Concentració de platí en l’elèctrode 0,35mg/cm2 0,035mg/cm2

Tensió teòrica per cel·la 1,25V 1,15V

Tensió real per cel·la 0,8V 0,6V

Conductivitat Alta Mitja - alta

Arrencada en fred Si No

Nivell d’Humitat en membrana Alta Baixa

Resistència mecànica Alta Mitja

Cost Alt Baix

Durabilitat 25.000h - 50.000h 100h

Rendiment 28 - 35% 32 - 36%



CAPÍTOL 3. EL COMBUSTIBLE: Hidrogen

3.1 Descripció:

L’hidrogen (H2) és un element diatòmic format per un electró i un protó.En condicions normals es presenta en estat gasós i és inflamable, incolor, inodor i insoluble en aigua.

L’hidrogen és l’element més abundant i antic de l’univers ja que forma el 75% del total dels elements. A la terra principalment es troba en estat líquid i barrejat amb altres molècules. L’aigua està formada en un 66% d’H2, aquesta és molt estable, aquest fet ens permet extreure hidrogen per mitjà de tractaments i així emmagatzemar-lo i utilitzar-lo com a energia.

Taula 3. Comparativa combustibles Adaptat de:[W 5],[W 6] i [W 7].

Hidrogen Gasolina Gas Natural

Poder calorífic inferior (MJ/kg) 120,00 42,50 47,00

Poder calorífic superior (MJ/kg) 141,86 47,00 52,00

Densitat gas (kg/Nm3) 0,0899 ——— 0,66

Densitat liquid (kg/l) 0,0708 0,733 0,554

Límits d’inflamabilitat (concentració H2 aire) 4,0 - 75,0 % 1,0 - 7,6 % 4,7 - 13,7 %

Límits de detonació (concentració H2 aire) 18,3 - 59,0 % 1,1 - 3,3 % 6,3 - 13,5 %

Capacitat calorífica específica Cp (KJ/(kg·K)) 14,32 2,22 2,34

Capacitat calorífica específica Cv ((KJ/(kg·K)) 10,16 ——— 1,85

Coeficient de difusió (cm2/s) 0,61 0,05 ———

Mínima energia d’activació (mJ) 0,02 0,24 0,29

Temperatura de Combustió espontània (K) 858 501 - 744 813

Emissions (mg CO2/kJ) 0 79 58

Toxicitat No Si Si



A la taula anterior es pot veure una comparativa de combustibles. La gasolina és el combustible derivat del petroli més utilitzat avui en dia i el gas natural és el combustible amb el qual s’està apostant com a substitut dels derivats del petroli perquè és menys contaminant i presenta majors reserves mundials.

Si observem el poder calorífic dels elements es pot veure com l’hidrogen duplica als altres combustibles.Si tenim en compte la taula, amb un litre d’hidrogen obtenim 8,5 MJ d’energia, mentre que amb un litre de gasolina obtenim 31.15 MJ, i si el comparem amb el gas natural obtenim que un litre conté 26 MJ. Això ens mostra que l’hidrogen en estat líquid conté, en un litre, el 0,27% de l’energia que obtindríem en un litre de gasolina.Un altre punt a destacar és que l’hidrogen té una baixa energia d’activació, aquesta dada ens dona una idea de la seva alta volatilitat i dels problemes que podria portar en el seu emmagatzematge o les avantatges si volem provocar una combustió.També podem destacar la seva nul·la toxicitat i nul·les emissions de CO2 , però com a contrapunt s’ha de senyalar que l’hidrogen rarament es troba a la natura com una font d’energia, sinó que necessitem invertir energia per processar-lo.

3.2 La producció de l’hidrogen:

Si comparem la producció d’hidrogen amb l’utilització d’altres energies, el primer que podem destacar és la seva diferència de preu ja que resulta més cara que les convencionals. Cada vegada s’ha anat ampliant més els camps de producció de l’hidrogen on sorgeixen noves tecnologies i metodologies per a la seva obtenció.El països líders en producció d’hidrogen són els Estats Units i la Unió Europea. Actualment a Europa es produeixen 18.240Nm3 d’hidrogen, taula 4 [W 13].

Taula 4. Producció europea d’hidrogen 2009-2013 Font:[W 13].

Producció d’hidrogen a Europa 2009 - 2013

2009 2010 2011 2012 2013

milions (Nm3)

17.005 17.799 17.961 18.345 18.240

milions (tones)

1,53 1,60 1,61 1,65 1,64

Nm3, normal cubic meters, a 1 atm i 0ºC



Existeixen varies formes de produir hidrogen les quals les dividirem en dos grups, processos industrials i processos renovables.

3.2.1 Processos industrials:

Reformat d’hidrocarburs i metanol:

Aquestes plantes de producció de H2 utilitzen gas natural com element principal, el qual reacciona amb vapor d’aigua a temperatures de 1200ºK i a pressions de 20-30 bar. El metà es fa reaccionar després en un reactor amb un catalitzador de níquel, on el gas obtingut és principalment hidrogen amb petites proporcions de diòxid i monòxid de carboni.És una de les tecnologies que es porta utilitzant durant més temps, ja que es tracte de la més econòmica. On la reacció és:

CH4 + H2O → CO + 3H2 [Eq.Reformat de CH4]

Electròlisis de l’aigua:

Per a volums d’hidrogen reduïts resulta el millor sistema de producció.Mitjançant un medi alcalí, s’obté en el càtode uns nivells d’hidrogen amb impureses d’oxigen, aquestes s’eliminen amb un convertidor DeOxo (És un dispositiu purificador d’hidrogen que elimina l’oxigen mitjançant la conversió a vapor d’aigua). En l’ànode de l’electrolitzador es produeix la quantitat d’oxigen equivalent a la meitat del volum d’hidrogen produït, tal i com correspon a la composició de la molècula d’aigua.

3.2.2 Processos renovables:

Biomassa cel·lulòsica:

La cel·lulosa es pot convertir en H2 mitjançant la seva oxidació parcial a temperatures de 1000ºK, es produeix una descomposició gasosa junt amb altres residus els quals amb una posterior reducció formaran H2.

Processos tèrmics:

Funcionen mitjançant una dissociació termoquímica de l’aigua utilitzant escalfor d’una font energètica a elevada temperatura, com forns solars o reactors nuclears. La calor provoca reaccions químiques que produeixen H2 i O2.



Biofotolisis d’Aigua:

Aquest procés obté hidrogen a partir de microorganismes fotosintètics capaços de dividir la molècula d’aigua en els seus components (H2 i O2).Una espècie d’alga verda la Scenedesmus, produeix H2 quan rep llum visible o quan es depriva d’oxigen i de llum (anaeròbia).

Taula 5. Comparativa del preu de producció Adaptat de:[W 9].

Com es pot veure en la taula 5 [W 9], els preus es redueixen en funció de la seva importància en el mercat i el seu rendiment, sent més barata la producció mitjançant el reformat d’hidrocarburs amb un 50% de volum de mercat i la més cara l’electròlisis amb un 5% de volum de mercat.

Un dels mitjans pel que més s’aposta és per la producció d’hidrogen amb baixes emissions de CO2 i producció de proximitat. El procés més utilitzat i que compliria aquestes premisses és mitjançant l’aplicació d’electricitat (procés d’electròlisis). Aquest mètode comporta que la producció de H2 no depengui de mercats estrangers ni de sistemes de transport d’altres països i així intentar evitar alguns dels problemes actuals dels combustibles fòssils.

Per provocar una electròlisis hi ha d’haver un intercanvi de càrregues dins de l’aigua (H2O), que provocarà la seva separació [Eq.1] en molècules d’hidrogen (H2) i d’oxigen(O2).Mentre l’aigua fa la funció d’electròlit, es dissocia en ions i electrons. El càtode és carregat negativament per mitjà dels electrons (e-) que l’hi arriben per la reacció de reducció, on es comença a formar l’hidrogen [Eq.4].En l’ànode carregat positivament es produeix una reacció per mitjà de la oxidació [Eq.5] que provoca la generació de gasos d’oxigen.

Cost ($/kW·h) Volum de mercat Rendiment Criteri

Reformat d’hidrocarburs 0,02 - 0,04 45 - 50% 65 - 70% Depèn del cost del gas

natural

Electròlisis 0,10 - 0,26 5% 60%Depèn del preu de l’electricitat 0,06 - 0,18 $/kW·he

Biomassa 0,06 - 0,10 35% 65% Dificultat de la purificació del H2

Procés tèrmic 0,13 - 0,20 15% 40% Sensible a la temperatura



Els gasos generats surten a l’exterior i poden ser recollits pel seu emmagatzematge. Per tant en la zona del càtode podem agafar l’hidrogen produït i depenent de l’aplicació fer el mateix amb l’oxigen en la zona de l’ànode.

H2 O + ⚡ —> H2 + 1/2 O2 [Eq.7]

2H2O —> 4H+ + 4e- + O2 [Eq.8]

L’electròlisis és un mètode que necessita temps d’utilització, però que tot just últimament s’ha començat a implementar juntament amb electricitat generada amb mètodes renovables com energia eòlica o solar. Això fa que sigui un sistema especialment atractiu per a piles de combustible.

Fig. 9. Imatge sobre l’hidròlisis de l’aigua Adaptat de:[W 10].



3.3 Emmagatzemat i distribució d’hidrogen:

Hi ha diverses característiques del H2 a tenir en compte, com la seva alta inflamabilitat i la no toxicitat, entre altres. També haurem de tenir present la seva finalitat d’ús, els sistemes d’emmagatzematge i les condicions hauran de variar en funció el mètode de consum. Si es tracta d’un ús residencial o industrial utilitzarem un sistema estacionari d’emmagatzematge, que s’emprarà per la generació d’energia elèctrica i tèrmica. On trobarem que hi ha poques restriccions sobre el pes, superfície o volum, tot el contrari que en altres camps d’aplicació com el sector de l’automoció, on tots aquests paràmetres són molt més restrictius. Tot i així el gran impulsor de les estacions d’emmagatzemat i distribució d’hidrogen avui en dia és el sector del transport.

Una de les característiques que desperta especial interès dels sistemes logístics de l’hidrogen és la capacitat de reduir el gran impacte social que té actualment el sistema de transport del fuel.De la mateixa manera que l’hidrogen es pot produir per diverses vies també pot ser distribuït i emmagatzemat per diversos sistemes.

Emmagatzematge de a gas a pressió

La majoria de sistemes generen hidrogen en forma de gas i també el consumeixen en aquest estat, per tant pot semblar la forma més senzilla d’ emmagatzemar. Normalment el gas es comprimeix i s’envasa en uns dipòsits d’acer a 200 bar i fins a un màxim de 700 bar amb una capacitat d’entre 10 i 50 litres, però degut a la baixa densitat energètica de l’hidrogen gasós i el preu dels recipients a pressió, si els comparem amb altres combustibles resulta un sistema poc competitiu.

Transport en forma gasosa

L’estructura de transport de l’hidrogen és similar a la del gas natural actuals amb certs matisos, com el diàmetre del tub en relació a la pressió i la distancia entre les estacions de compressió.Al món hi ha un total de 4.284 quilometres de gasoductes d’hidrogen, liderat pels Estats Units, amb 2.389 Km, seguit d’Europa amb 1.598 Km. El país Europeu amb més quilometres de gasoductes d’hidrogen és Bèlgica, amb 613 Km. Annex [F 13].Per instal·lacions mòbils els dipòsits d’acer no satisfan els requeriments, ja que són pesades i la pressió no és suficient per ocupar poc volum. Per això s’han desenvolupat materials a base d’alumini, compostos, polímers etc., que presenten un pes inferior i s’aconsegueix emmagatzemar pressions de 300 a 700 bar, on aquest procediment s’utilitza amb flotes de busos, afavorides per l’experiència amb vehicles de gas natural.



Emmagatzematge en forma líquida

La temperatura d’ebullició de l’hidrogen a 1 bar és de -252,76ºC (20,39K), només el podríem trobar en forma líquida a temperatures de entre 14 i 20K. Un dels mètodes més utilitzats és el Linde on requereix subministrar hidrogen gasós a baixa temperatura (183K). Aquesta baixa temperatura es pot subministrar a partir del nitrogen liquid (73K a pressió atmosfèrica). Existeixen diverses variacions sobre el procés Linde, entre altres la de Claude i Heylandt. Generalment el procés de liqüefacció consumeix un 30% de l’energia química emmagatzemada [A 1]. Una de les formes de mantenir aquestes propietats és per mitjà de recipients Dewar o tancs de doble capa (contenen nitrogen líquid) amb els que podem tractar el gas hidrogen amb propietats criogèniques. La densitat energètica és de 3,5 vegades superior a la densitat energètica de l’hidrogen comprimit a 300 bar. Com a principal punt en contra hi ha el cost per la liqüefacció i les pèrdues produïdes per evaporació.

Transport en forma líquida

El transport de l’hidrogen en estat líquid està establert principalment per transport via rodada, ferrocarril i marítim. Com a principal característica el transport/emmagatzematge en forma líquida es fa quasi sense pressió.

Per carretera es realitza per camions amb dipòsits Dewar de capacitats entre 48.000 i 80000 Litres. Aquests dipòsits estan equipats amb aïllament multicapa amb pèrdues per ebullició de 0,25% per dia.

Amb ferrocarril estaríem parlant de dipòsits cilíndrics Dewar amb capacitats d’entre 10.000 i 120.000 Litres.

Per transport marítim utilitzen cisternes Dewar amb capacitats de fins 1 milió de Litres. Una via marítima d’hidrogen actual es la que hi ha entre Luisiana i el Kennedy Space Center a Florida. Si comparem els dos sistemes de transport, un camió que transporta hidrogen en estat líquid equival a 20 camions en estat gasós a pressió.

Fig. 10. Evolució/projecció anual del cost sobre el transport de l’hidrogen Font:[A 2].


Cos

t del

tra

nspo

rt de

l’hi

drog

en ($

/kW

)

0

31

62

93

124

2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2020 20X0

Evolució actual Objectiu


Si observem el gràfic Fig. 10. [A 2] es pot apreciar com des del 2006 el preu per kW ha baixat considerablement, exceptuant el període entre el 2010 i 2014. Hi ha un petit estancament coincidint amb la recessió econòmica, però tot i així es preveu un preu de 40$/kW pel 2020 i una fita de 30$/kW per les pròximes dècades.

Un sistema de distribució de l’hidrogen per a vehicles és mitjançant les estacions d’hidrogen, el que vindrien a ser les homòlogues de les benzineres. Aquestes s’utilitzen tant per vehicles particulars com per vehicles industrials o especialitzats, Fig.11 [W 14]. L’empresa Hydrogenics crea hidrogen per les seves estacions HySTAT® amb tecnologia d’electròlisis i amb electricitat produïda a partir d’energia eòlica. Asseguren que des de la seva producció fins al seu consum emet zero emissions, d’aquesta manera s’elimina la dependència de les energies fòssils. Aquestes estacions són capaces de produir de 23 kg/dia fins a 130 kg/dia de H2 on es dispensen de 350 a 700 bar. Si mirem aquesta producció en tones equivalents de petroli veiem que la producció anual d’una de les estacions amb més capacitat de producció d’hidrogen equival a 160.6 TEP.

Segons el departament d’energia dels Estats Units, les estacions d’hidrogen creixen a un pas de 15 noves estacions de mitjana per any, fent que avui en dia al món hi hagi fins a 171 estacions d’hidrogen.El país que compta amb més estacions és Alemanya, amb 35, seguit del Japó amb 22. Espanya es troba al novè lloc, amb 4 estacions. Annex [F 15].

Fig. 11. Estació d’hidrogen amb característiques en funció del vehicle Font: [W 14].



CAPÍTOL 4. DISSENY D’UNA PILA DE

COMBUSTIBLE PEM

4.1 El disseny:

El disseny de l’Stack o Pila ha de permetre que l’aigua i la calor flueixin fàcilment entra les cel·les. Hi ha altres dissenys com el Ballard®, on el flux s’aconsegueix injectant aire en excés en el càtode per arrossegar l’aigua produïda. En aquest disseny l’escalfor s’extreu amb un refrigerant que flueix entre les plaques.

L’assemblatge de cel·les en Stack es manté unit per mitjà de fixacions mecàniques que apliquen força compressiva sobre les dues plaques finals. Aquestes plaques també hauran de permetre el flux d’aire, combustible i d’aigua així com la transmissió de potència elèctrica fora de la pila.

Fig. 12. Disseny d’una pila en Stack Font: [A 13].

4.2 Dimensionat general:

El primer pas és definir la dimensió de l’àrea activa i el nombre d’unitats que la formaran. Com que es tracta d’una pila que no tindrà una aplicació predeterminada, imposarem uns requeriments previs a la qual s’entregarà l’energia elèctrica produïda, com el voltatge i la potència, determinada per la següent equació.

P = ITotal · VTotal [Eq.9]

Taula 6. Valors preestablerts per la PEM.


Tensió de sortida 4V

Corrent de sortida 1A

Potència Total 4W


On la P és la potència, VTotal és el voltatge de la pila, i ITotal és el corrent total. Com que les piles PEM tenen un muntatge tipus Stack, que és la connexió de varies unitats en sèrie per obtenir uns valors de tensió més grans, el voltatge total és la suma de tots els voltatges individuals o mitjana de totes les cel·les.

VTotal =∑ · Vi = VCel·la · NCel·les [Eq.10]

Si tenim en compte que la tensió de sortida real per a una cel·la és de 0,8V i que el voltatge de sortida desitjat és de 4V, obtenim:

NCel·les = VTotal / VCel·la

NCel·les = 4 / 0,8

NCel·les = 5

Per poder complir amb els requeriments seran necessàries connectar en sèrie un total de 5 cel·les.

4.3 Dimensionat dels elèctrodes:

L’elèctrode de les PEMFC està format per un electrocatalitzador dispers sobre un material porós que fa la funció de suport, que a la vegada és un conductor electrònic. Una capa difusora de gasos, que pot ser el propi suport de l’electrocatalitzador permet la correcta difusió dels gasos. L’electrocatalitzador d’una PEMFC que treballa amb hidrogen, està format per partícules nanomètriques de platí.Actualment, els elèctrodes contenen quantitats de Pt al voltant de 0,4 mg/cm2. S’ha de tenir en compte que donat que treballa a baixa temperatura (80 - 100ºC), el catalitzador és molt sensible al CO. Per sota de 150ºC partícules de CO superiors a 10ppm s’uneixen al Pt, ocupant espais on el H2 no pot accedir.El suport ha de ser un material bon conductor electrònic, alta porositat alta superfície especifica, químicament inert, i capaç de mantenir la dispersió de partícules de l’electrocatalitzador. El material més adequat és el paper de negre de carbó. La capa difusora està formada per fines làmines de carbó. La capa difusora permet que els gasos es distribueixin al catalitzador de forma homogènia. Aquesta capa és de naturalesa porosa i se situa sobre el platí i, a més a més, actua com a contacte elèctric entre el platí i les plaques bipolars.



L’àrea activa dels elèctrodes la calcularem en funció del corrent total de la pila i la densitat del corrent ( j ) de la MEA, com es pot veure en la Fig.13 [A 10] normalment per una sola unitat comercial pren valors d’entre 0,1 - 0,3A/cm2.

Fig. 13. Corba de polarització i potència d’una MEA comercial Font:[A 10].

AElèctrode = ITotal / j [Eq.11]

AElèctrode = 1 / 0,1

AElèctrode = 10cm2

La superfície activa per cada elèctrode serà de 10cm2.

4.4 Dimensionat de la membrana:

L’electròlit d’una PEMFC és una membrana polimèrica conductora de protons. Les principals característiques que ha de tenir és baixa conductivitat electrònica i alta protònica i impermeable als gasos de reacció. Com a membrana s’utilitzarà el polímer perfluorat, Nafion®. La membrana Nafion®, ja descrita anteriorment, presenta una conductivitat elevada de l’ordre de 7-2 S/cm i un espessor d’entre 50μm i 225μm en els models N-110 i NE-1110 respectivament. És necessari que la membrana conservi un alt grau d’humitat i que mantingui una temperatura d’entre 80 - 100ºC.L’aigua circula seguint diferents processos tal i com s’il·lustra en la Fig. 14 [A 1]:·Arrossegament electro-osmòtic de protons units a molècules d’aigua. Aquest flux d’aigua deshidrata l’ànode de la pila i hidrata el càtode.·Flux de retorn des del càtode per difusió degut a l’aigua acumulada en el càtode tot per arrossegament electro-osmòtic.·Transport d’aigua a través de cèl·lules pressuritzades de la membrana si el càtode està a una pressió més gran.


Volta

tge

(V)

0,2

0,3

0,5

0,6

0,8

0,9

Densitat del corrent (A/cm2)0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5

Poténcia Polarització


Fig. 14. Esquema de la circulació de l’aigua en una PEMFC Font: [A 1].

La membrana és l’àrea activa de l’elèctrode per tant la seva dimensió serà de 10cm2.

AMembrana = 10cm2

4.5 Dimensionat de la MEA:

En una pila de combustible, el conjunt format pels dos elèctrodes, l’ànode i el càtode, amb la membrana és coneguda com assemblatge membrana-elèctrodes o MEA (Membrane-Electrode Assembly). Aquest element es fabrica mitjançant el premsat en calent dels components. La MEA és l’element que està en contacte permanent entre el gas, el Pt/C, i l’electròlit, és en aquest element on es produeix la dissociació del H2 sobre el Pt, es produeix l’intercanvi de protons al càtode i es força els electrons a circular pel circuit extern. La MEA és un dels pocs elements que s’hauran d’adquirir a tercers ja que es tracta d’un element molt delicat. Per tant s’ha de tenir present que compleixin les característiques especificades, on la MEA a igual que els elèctrodes, haurà de ser d’una superfície igual o major a 10cm2.

AMEA ≥ 10cm2

Fig. 15. Conjunt d’elements que forma la MEA Adaptat de:[A 12].



4.6 Dimensionat de les plaques bipolars:

Las plaques bipolars permeten posar en sèrie les diferents monocel·les que formen la pila. Mitjançant canals, alimenten els elèctrodes amb el gas reactant, evaqüen els reactants sobrants i l’aigua. L’ànode i el càtode estan en contacte per la part externa, per mitjà de la capa difusora, amb les plaques bipolars. Es pot dir que treballen com a separadors i com a col·lectors de corrent elèctric entre les cel·les i els elèctrodes, on a més condueixen el corrent cap al circuit extern. Aquestes plaques comprenen la major part del volum i del pes de les piles.

El material amb el que han de ser fabricades ha de ser un bon conductor elèctric, fàcil de mecanitzar, amb poc volum i pes, permeable per la distribució uniforme dels gasos i evacuar els productes amb facilitat, a més ha de ser resistent a la corrosió per tal de garantir una raonable vida útil. El material més utilitzat és el grafit. Les plaques de grafit tenen una excel·lent resistència a la corrosió i una baixa resistivitat elèctrica. Estudis fets per Yuan et al. en [A 13], mostren com les plaques de grafit mantenen propietats físiques i mecàniques acceptables després de 500 hores d’operativitat. Però una de les finalitats d’aquest treball és la de voler mostrar la viabilitat d’un material substitut al grafit més assequible i amb característiques semblants, per aquest motiu es vol fer un estudi utilitzant plaques bipolars formades per acer inoxidable 316L. Aquest tipus d’acer anomenat de grau marítim per la seva alta resistència a la corrosió i bona mal·leabilitat, presenta la classe de propietats que volem per a ser utilitzat sota les condicions d’una pila de combustible. En la taula 7 [A 13] es pot veure una comparació entre els dos materials.

Taula 7. Comparativa entre plaques de diversos materials Font:[A 13].

Les plaques bipolars d’acer inoxidable tenen una bona conducció elèctrica i tèrmica i al contrari del grafit els costos de fabricació són més baixos per la seva bona mecanització.Els principals desavantatges de l’Acer 316L davant del grafit és la seva major densitat i la seva menor tolerància a la corrosió. Les plaques bipolars metàl·liques resisteixen unes 300 hores sense degradació, sobretot al costat de l’ànode degut a la presència de l’hidrogen. Per aquest motiu és comú que per augmentar la seva vida útil aquests acers portin un recobriment d’or o titani. Hi ha estudis on es mostra quin és el millor material per utilitzar com a recobriment com ara l’article fet per Gladczuk et al. [A 16].

Materials Conductivitat (S·cm-1)

Densitat(g·cm-3)

Permeabilitat a l’hidrogen

Corrosió a la corrent (mA·cm-2)

Grafit 103 2,25 10-2 ~10−6 <0,01

Acer Inoxidable 316L 5·106 8,02 <10−12 <0,1



4.6.1 Tipus de plaques bipolars:

Els canals pels que flueixen els gasos poden tenir diferents disposicions.

Canal pin-type: Aquest consisteix en un patró de pins de forma rectangular o circular distribuïts matricial-ment com es pot veure en la Fig. 16 [A 15]. El sistema mostra varis desavantatges, especialment un flux poc homogeni d’hidrogen tal i com mostra la Fig. 17 [A 15].

Fig. 16. Distribució en pin-type Font:[A 15]. Fig. 17. Concentració d’hidrogen en la zona del càtode. Vermell: alta concentració d’H2; Blau: baixa concentració d’H2 Font:[A 15].

Canal paral·lel: Aquest tipus de distribució esta formada per canals en paral·lel (Fig. 18 [A 15]), el principal avantatge sobre la pin-type és la homogeneïtzació de la pressió dels gasos, però per altra banda té problemes amb la circulació del flux (Fig. 19 [A 15]), un problema si tenim en compte la necessitat de l’evacuació de l’aigua produïda.

Fig. 18. Distribució en paral·lel Font:[A 15]. Fig. 19. Concentració d’hidrogen en la zona del càtode. Vermell: alta concentració d’H2; Blau: baixa concentració d’H2 Font:[A 15].



Canal Serpentine: Si parlem d’equilibri entre pressió dels gasos i requeriments d’evacuació d’aigua és el sistema que dóna més bons resultats. Com es pot veure en la Fig. 21 [A 15] la densitat d’hidrogen decreix al llarg d’un únic canal tipus Serpentine.

Fig. 20. Distribució en Serpentine Font:[A 15]. Fig. 21. Concentració d’hidrogen en la zona del càtode. Vermell: alta concentració d’H2; Blau: baixa concentració d’H2 Font:[A 15].

Els canvis de pressió dins d’una mateixa placa són deguts a les pèrdues per fregament en les geometries dels canals, ja que la direcció del fluid varia bruscament.Cada distribució ha de ser estudiada ja que les pèrdues de pressió depenen de la geometria de la mateixa.

Hi han unes regles generals aplicades als canals:

·La pressió en cada canal va en funció de la longitud i el seu cabal.·La suma de les caigudes de pressió dins del llarg del mateix canal ha de ser igual a zero.·El flux de cabal d’entrada de cada canal ha de ser el mateix que el flux de sortida.

En conclusió, el canal tipus Serpentine és el que escollirem per la fabricació de la nostra pila de combustible, el motiu és que és un dels mètodes més utilitzats per les piles de baixa potència i dóna millors resultats.



Per la construcció de la pila seran necessàries un total de 6 plaques bipolars, amb una superfície de 2500mm2 (50 x 50mm) i un gruix de 5mm. De plaques n’hi hauran de tres tipus.

La primera és la placa bipolar davantera. Plànol [1/8]. En la pila serà la primera de l’Stack i només hi haurà una d’aquest tipus. Aquesta únicament tindrà un sistema de canals per una cara per a la distribució del combustible (H2) i per l’altre costat estarà amb contacte amb el col·lector de l’ànode. Com s’ha mencionat anteriorment el canal serà de tipus Serpentine amb un gruix de 1,7mm i amb una profunditat de 1,5mm més dos forats al principi i al final de 3,25mm de diàmetre per on entrarà l’hidrogen.

Fig. 22. Placa bipolar davantera, distribució del flux d’hidrogen.

La segona és la placa bipolar interior. Plànol [2/8]. D’aquestes n’hi hauran 4, situades en la part central de la pila. En un dels costats de la placa té la mateixa distribució de canals que l’anterior, per l’altre hi haurà un flux d’oxigen el qual circularà per una sèrie de canals verticals de gruix variable on la part més estreta és de 2,20mm, la part ampla de 3,40mm i 2,50mm de profunditat.

Fig. 23. Placa bipolar interior, distribució del flux d’hidrogen i d’oxigen.



L’última placa de l’Stack, la bipolar posterior. Plànol [3/8]. Únicament per un costat tindrà uns canals per la circulació del flux d’oxigen igual a l’anterior, l’altre costat té la cara sense mecanitzar i estarà en contacte amb el col·lector del càtode.

Fig. 24. Placa bipolar posterior, distribució del flux d’oxigen.

4.7 Dimensionat del segellat:

Per a que la MEA estigui dins dels rangs òptims d’humitat, s’ha d’assegurar la seva estanquitat, per aquest motiu és necessari adaptar un segells de tefló a cada costat. S’escull el tefló com a material per construir el segell per la seva impermeabilitat i per la seva capacitat per suportar temperatures extremes (-270 a 300ºC). Plànol [7/8].

Fig. 25. Segell de tefló per la MEA.



4.8 Dimensionat dels col·lectors:

Els col·lectors de corrent són els conductors elèctrics que estan en contacte amb les plaques bipolars, i aniran un a cada extrem de la pila. El material que s’utilitzarà serà coure de 1mm de gruix. Plànol [6/8].

Fig. 26. Col·lector de coure.

4.9 Dimensionat de les tapes:

Les tapes són uns elements que aniran situades una a cada extrem de la pila i serveixen per varis propòsits. Tindran la funció de guiar l’entrada de l’hidrogen i la sortida d’oxigen i del vapor d’aigua, per mitjà d’uns forats de 8,75mm de diàmetre on hi aniran roscats uns racors, un en la tapa davantera per l’entrada de H2 i l’altre en la tapa posterior per la sortida de gasos. L’altra funció de les tapes és la d’unir tots els elements per mitjà d’uns forats de 6mm de diàmetre on hi passaran 4 cargols M6 que uniran les tapes a cada extrem. Les tapes tenen un mecanitzat superficial per fer encaixar els col·lectors i la placa davantera tindrà uns forats de 15mm de diàmetre per encabir els caps dels cargols, a diferència de la posterior que anirà fixada per femelles. La superfície de cada tapa és de 6400mm2 (80 x 80mm) i un gruix de 10mm. Planols [4/8] i [5/8].

El material escollit per a fabricar les tapes és el policarbonat, on la seva facilitat per a ser treballat i mecanitzat fan que sigui ideal per aquest propòsit i a diferència del metacrilat té una gran resistència als impactes, té una alta resistència a la deformació tèrmica i és un bon aïllant elèctric.



Fig. 27. Tapa de policarbonat davantera.

Fig. 28. Tapa de policarbonat posterior.

4.10 Dimensionat dels sistemes de fixació:

4.10.1 Selecció dels components:

·Cargols: Com a cargols s’han triat uns amb mètrica 6, 70mm de longitud i cap d’Allen. En total es necessitaran 4 cargols, col·locats tal i com mostra el plànol [8/8] des de la Tapa davantera fins a la posterior.

Fig. 29. Cargols M6 X 70mm i cap d’Allen.



·Volandera: S’utilitzaran volanderes normals DIN125 amb mètrica 6 per fer suportar la càrrega del cargol. S’utilitzaran 4 volanderes. Plànol [8/8].

Fig. 30. Volandera DIN125 M6.

·Femella: Es necessitaran 4 femelles tipus papallona amb mètrica 6, per tal de dinamitzar el muntatges. Plànol [8/8].

Fig. 31. Femella papallona M6.

·Racor: Es necessitaran 2 racors auto-blocant i de rosca 8,75mm per l’alimentació i la sortida de gasos. Plànol [8/8].

Fig. 32. Racor auto-blocant rosca 10mm.



4.10.2 Càlcul d’ajust:

Una vegada tenim dimensionats tots els elements cal escollir la millor manera d’unir totes les peces. Normalment una pila en configuració d’Stack s’uneix mitjançant uns cargols que travessen la tapa davantera fins la posterior, però en aquests cargols cal aplicar un parell correcte si volem que no sorgeixin fugues en el sistema per les forces de separació.

Si tenim en compte que es tracta de cargols i femelles M6 i qualitat 8.8 amb recobriment zincats galvànics, obtenim una resistència del cargol de µG=0,12 a µG=0,17 on escollirem el valor més baix de µG=0,12. Annex [F16].

La força de muntatge i el parell de muntatge es poden calcular:

FMlim = [Eq.12]

MM = FM [0.16P + µG(0.58d2 + 0.25(de + d))] [Eq.13]

·Força de muntatge: FMlim = 9375N

·Parell de muntatge: MM = 9Nm

·Parell de muntatge prescrit: M’M= 0,9·MM = 8,1Nm [Eq.14]

La dispersió en la collada fa que la força de muntatge pugui oscil·lar entre un valor màxim i mínim. Si utilitzem una clau dinamomètrica i cargol lubricat el factor de collada és de ɑc=1,4. Annex [F16].

La força que provocaria el trencament del cargol és una força superior a la força de muntatge màxima, i la força on la juntura és comença a obrir és una força inferior a la força de muntatge mínima.

·Força de muntatge màxima: FMmàx= 9375N

·Força de muntatge mínima: FMmín= FMmàx / ɑc = 6696,4N [Eq.15]

A més dels efectes sobre els components de subjecció un mal ajust de la força o el parell de muntatge pot provocar problemes elèctrics. En el cas que apareguin deformacions en les plaques bipolars es provocaria un augment de la resistivitat entre elles, provocant pèrdues en el transport de massa.


0.9Re AT

1+ 3 [ tan(α + ρ’)AT d2

2Πd33 /16

]2


Finalment quan tenim tots els elements i materials dimensionats, juntament amb els càlculs de muntatge, es pot donar per finalitzada l’etapa de disseny i començar la construcció de la pila de combustible.

Fig. 33. Model 3D de la pila de combustible un cop acoblada.

4.11 Circulació del combustible i gasos:

En les següents figures es mostra en quin sentit circularan els diferents fluids i gasos dins de la pila. En la Fig. 34 es pot veure com el H2 entra pel forat superior esquerre i es distribueix per la placa bipolar entre els canals de distribució de flux d’hidrogen fins al forat inferior dret.

Fig. 34. Diagrama del sentit de circulació de l’H2.



En la Fig. 35 es pot veure com l’oxigen és guiat pels canals de distribució de la placa bipolar.

Fig. 35. Diagrama de la circulació d’O2 .

En la Fig. 36 mostra el racor d’entrada de l’hidrogen, com es distribueix placa per placa pel forat superior i els gasos resultants de les reaccions produïdes seran evacuats pel forat inferior fins el racor de sortida.

Fig. 36. Diagrama d’entrada de combustible i sortida de gasos.



CAPÍTOL 5. PROCÉS DE FABRICACIÓ DE LA

PILA DE COMBUSTIBLE PEM

5.1 Llistat de materials del primer prototip:

En la següent taula 8 es pot trobar la informació de tot el material, dimensions i unitats necessàries per la construcció de la pila de combustible.

Taula 8. Llistat de materials per la construcció de la pila PEM 1.

5.2 Fabricació de les plaques bipolars:

La fabricació de les plaques bipolars es realitzarà mitjançant una maquina CNC. Aquesta és un centre Okuma OSP-P200 horitzontal programada per nosaltres a partir dels nostres dissenys. L’única manera de poder treballar l’acer 316L és amb una CNC amb banc d’eines i la possibilitat d’intercanviar de fresa automàticament ja que el disseny detallat de les plaques ho requereix.

Material Dimensions Unitats

Plaques Bipolars Acer inoxidable 316L 50x50x5mm 6

Segells Tefló 50x50x0,5mm 10

Col·lectors Coure 30x65x1mm 2

Tapes Policarbonat 80x80x10mm 2

MEA Nafion 212® 50x50x0,5mm 5

Cargols M6 Q8.8 Acer galvanitzat ⦰6x70mm 4

Femelles M6 Papallona Acer galvanitzat ⦰6mm 4

Volanderes M6 Acer galvanitzat ⦰6mm 4

Racors Acer galvanitzat ⦰10mm 2



El primer pas per la producció de les peces és el de recollir la informació del plànol i formar-ne el model CAM.

Fig. 37. Model CAM a partir del plànol.

Seguidament es tallen les peces del bloc d’acer mitjançant el torn manual per tal de poder-les mecanitzar.

Fig. 38.Tall amb torn manual.



A continuació ja es pot mecanitzar cada placa de forma individual.

Fig. 39. Fabricació d’una placa bipolar amb canal serpentine.

5.3 Fabricació de les tapes:

Les tapes de la mateixa manera que les plaques bipolars es fabricaran amb un programa creat per nosaltres i amb una maquina CNC, capaç de tractar amb el policarbonat i foradar els diferents diàmetres, detallats en els plànols.

Fig. 40. Tapa de policarbonat posterior.



5.4 Adaptació de les MEA:

La MEA adquirida per l’empresa fuel cells etc i encarregada amb les dimensions corresponents per l’ajust amb les plaques bipolars.Les dimensions de la MEA corresponen a 55 x 55 mm de costat amb la part activa corresponents a l’àrea dels canals d’hidrogen de les plaques bipolars equivalent a 35 x 35 mm i unes concentracions de platí a l’ànode de 0,3 mg/cm2 i de 0,5 mg/cm2 al càtode. Les concentracions de platí en l’ ànode i el càtode són diferents ja que la presencia de l’hidrogen en l’ànode és més corrosiva i millora el seu funcionament. Per adaptar la MEA únicament haurem de fer forats en la part no activa de la membrana per deixar pas a la circulació de l’hidrogen i els fluids.

Fig. 41. MEA adaptada.

5.5 Fabricació del segellat:

El segellat serà fabricat mitjançant tefló amb les dimensions especificades en els plànols. Per retallar el material s’utilitzarà un cutter.

Fig. 42. Segell de tefló.



5.6 Fabricació dels col·lectors:

Els col·lectors són fabricats amb coure, la seva forma serà tallada mitjançant la mateixa màquina de CNC.

Fig. 43. Tapa de policarbonat amb el col·lector de coure i racors.

5.7 Muntatge de la pila de combustible (primer prototip):

Un cop tenim fabricats els components ja es poden assemblar i construir la pila de combustible tal i com veiem en la Fig. 44.

Fig. 44. Pila de combustible ja assemblada.



5.8 Proves de funcionament del primer prototip:

Els resultats obtinguts d’aquest primer prototip són d’una tensió de 2,87 a 2,94VDC. Aquests s’aproximen als valors inicialment preestablerts però s’han hagut d’adequar diversos materials i dissenys a l’hora de la fabricació, aixi com incorporar passadors per garantir la posició de les peces i d’aquesta manera evitar sobre esforços en el policarbonat. De totes maneres els valors de tensió de sortida encara no són prou bons. Una de les possibles raons pot ser la fuga de gasos entre plaques o el mal estat de les membranes, ja que aquestes són delicades a l’ambient. Un punt clau és treballar amb la estanquitat entre plaques i així minimitzar la pèrdua de pressió i de gasos.

5.9 Llistat de materials del segon prototip:

En la següent taula 9 es pot trobar la informació de tot el material, dimensions i unitats necessàries per la construcció de la pila de combustible. Es poden apreciar les diferències amb les dimensions i materials respecte el primer prototip, com ara en les plaques bipolars i el canvi de material en els segells per aconseguir millorar el sistema d’estanquitat. Els components com els col·lectors, les tapes i les membranes no s’hi apliquen canvis respecte el primer prototip.

Taula 9. Llistat de materials per la construcció de la pila PEM 2.

Material Dimensions Unitats

Plaques Bipolars Alumini 55x55x8mm 6

Segells Goma 55x55x2mm 10

Col·lectors Coure 30x65x1mm 2

Tapes Policarbonat 80x80x10mm 2

MEA Nafion 212® 50x50x0,5mm 5

Cargols M6 Q8.8 Acer galvanitzat ⦰6x90mm 4

Femelles M6 Acer galvanitzat ⦰6mm 4

Volanderes M6 Acer galvanitzat ⦰6mm 4

Racors Acer galvanitzat ⦰10mm 2



5.10 Fabricació de les plaques bipolars:

La fabricació de les noves plaques bipolars pel segon prototip es realitzaran amb la mateix centre CNC i utilitzant el mateix disseny de base amb alguna variació en les dimensions i el material. Per tal de millorar la velocitat de mecanització i el mínim desgast garantint l’estat optim dins del rang d’operació de les eines de tall, el material utilitzat per les noves plaques serà l’alumini. Aquest material proporciona unes característiques semblants a les de l’acer 316L però amb l’inconvenient que pot haver-hi risc de trencament per la seva estructura per aquest motiu s’opta per modificar les dimensions de les plaques i així deixar més marge entre la mecanització dels forats i la vora de la placa. En la taula 10 [A 13] es pot detallar com l’alumini té una menor conductivitat elèctrica comparada amb l’acer, però surt guanyant si ens fixem amb la densitat, gairebé 1/3 de l’acer.

Taula 10. Comparativa entre plaques de diversos materials Font:[A 13].

Fig. 45. Plaques bipolars d’alumini.

Materials Conductivitat (S·cm-1)

Densitat(g·cm-3)

Permeabilitat a l’hidrogen

Corrosió a la corrent (mA·cm-2)

Alumini 3,78·105 2,7 <10−11 <0,2

Acer Inoxidable 316L 5·106 8,02 <10−12 <0,1



El primer pas a realitzar, com en el primer prototip, és el disseny 3D CAD (Computer-Aided Design) de les peces amb les corresponents modificacions en relació als canvis de dimensionat de la pila. Un cop verificat el disseny i aprofitant l’entorn virtual, es realitzen les simulacions del mecanitzat exportant el model a una plataforma CAM (Computer-Aided Manufacturing). Amb aquesta simulació (Fig. 46) evitem possibles col·lisions o errors en el desenvolupament del mecanitzat real i ens permet realitzar un programa NC amb les acotacions del model CAD, tenint en compte les dimensions de les eines i el seu capçal.

L’assistent aporta un fitxer de text amb el programa NC post-processat per entrar a la maquina. Veure Annex. Tanmateix s’ha de revisar i corregir certs errors de programació adequant-lo a cada procés de fabricació ja que sovint les velocitats, avanços, tipus de lubricació o cicles de mecanitzat no són els òptims. El programa final es trasllada a la maquina CNC (OKUMA OSP-P200) i es procedeix a la mecanització de les peces comprovant cada cota, profunditat i moviment de l’eina així com els correctors i velocitats (Fig. 47).

Fig. 46. Model en CAM de la placa bipolar. Fig. 47. Mecanització de l’alumini.



5.11 Fabricació del segellat:

Una de les principals causes de la modificació de la pila i desenvolupar un segon prototip, són els defectes sorgits amb l’estanquitat de la primera versió. A l’augmentar la pressió de l’hidrogen dins la placa, s’esdevenien fugues en el segellat entre les plaques bipolars i també en la junta tòrica de pas entre les tapes i les plaques, ja que quedava lleugerament fora de l’extrem. Així doncs, en aquest cas el segellat serà fabricat mitjançant una làmina de goma de 2mm de gruix, amb les mateixes dimensions especificades en els plànols, és a dir augmentant 5 mm la longitud de cada costat. Per tant la superfície de contacte entre les plaques incrementa de 1.205mm2 a 1.729mm2. Per donar forma a el material s’utilitzaran unes tisores, un trepant manual pels forats i un enformador per el forat interior.

De la mateixa goma realitzem unes peces iguals als col·lectors de coure que ens permetran garantir el bon contacte entre col·lectors i plaques.

Fig. 48. Segell de goma.



5.12 Muntatge de la pila de combustible (segon prototip):

El muntatge es realitza manualment sobre una superfície plana per evitar desperfectes en el material. La primera peça que hi posem és la tapa davantera amb l’alimentació de l’hidrogen, seguidament el col·lector de coure amb les corresponents gomes, per millorar el contacte, i la placa bipolar amb només el mecanitzat serpentine de l’hidrogen per un costat. A continuació col·loquem els passadors aïllants, que ens serveixen per garantir el centratge de tota la pila en el muntatge, el segell de goma, la MEA i l’altre segell de goma. Repetim el procés amb les altre plaques, segells i membranes fins arribar a la placa bipolar mecanitzada només per un costat amb els canals d’oxigen, fins a muntar l’últim col·lector i tapa posterior amb la sortida de gasos. Per finalitzar introduïm els cargols de 90mm de llarg, per premsar i subjectar tot l’stack, collem cíclicament els cargols fins aconseguir un parell igual al calculat en l’apartat càlcul d’ajust.

Fig. 49. Col·locació dels segells de goma sobre la MEA.



5.13 Proves de funcionament del segon prototip:

Els resultats obtinguts d’aquest segon prototip són d’una tensió de 5,61 a 5,71VDC. Es pot veure que la opció de canviar el sistema de segells, ha estat encertada ja que els valors de tensió de sortida han incrementat.

Si observem els valors de tensió amb circuit obert:

VCel·la = VTotal / NCel·les

VCel·la = 5,71 / 5

VCel·la = 1,14 VDC

La tensió de sortida ha superat el valor teòric de 4VDC i ara és més pròxim al valor calculat en apartats anteriors. Podem apreciar que ara la tensió per cel·la equival a 1,142VDC i s’aproxima al valor de 1,18VDC per cel·la, equivalent a un valor de tensió de sortida de 5,9VDC, per a una pila amb valors pròxims a zero pèrdues de pressió i de gasos.

Si fem el càlcul de la potència de sortida amb el valor de la intensitat de 0,94A que s’ha obtingut durant les proves de funcionament posant-hi una resistència variable com a càrrega:

PPila = ITotal · VTotal

PPila =0,94 · 5,71

PPila = 5,37 W



Podem veure que la potència de sortida també és superior a la teòrica de 4W.

Es pot conclouré que els resultats obtinguts del segon prototip són àmpliament satisfactoris ja que han superat a les especificacions.

Fig. 50. Tester mostrant la tensió de sortida de la pila.



CAPÍTOL 6. CONCLUSIONS

De la realització d’aquest projecte en podem extreure les següents conclusions:

Durant l’estudi de les piles de combustible ens hem adonat que englobava molts camps d’estudi que hem estudiat durant la nostra carrera, des del disseny assistit per ordinador per la realització de plànols, les diferents assignatures de electrònica i components elèctrics, materials i les seves propietats, mecànica, programació i processos de fabricació.Es pot dir que aquest treball representa l’enginyeria Mecatrònica en tots els seus apartats.

Si ens centrem en el contingut del treball, en la realització del projecte s’ha estudiat els diferents pros i contres de les piles de combustible i com les piles de combustible són un bon complement/alternativa als sistemes d’obtenció d’energia elèctrica i mica en mica aquest tipus de sistemes es comencen a obrir mercat.

En els primers apartats s’ha fet un estudi de les diferents piles de combustible i s’han mirat les seves diferents característiques per la factibilitat per ser fabricades. S’han mirat possibles dissenys de piles de combustible i s’hi han comparat materials i alternatives per la seva construcció. Igualment s’ha fet un estudi sobre l’hidrogen i les seves formes d’obtenció també han estat descrites les peculiaritats del combustible i les precaucions per la seva manipulació. Per últim un desenvolupament del disseny CAD-CAM i la posterior programació del centre CNC per la seva fabricació.

Finalment s’ha complert amb els objectius inicialment descrits. S’ha explicat i s’ha dut a terme el procés de fabricació per una pila PEM que compleixi amb les especificacions i les condicions tot incloent els programes CAM utilitzats per a fabricar-la.

6.1 Millores:

En un futur si volem rebaixar costos i simplificar la fabricació de piles de combustible utilitzarem una fabricació en sèrie amb la qual optaríem per substituir els processos de fabricació en CNC per motlles i d’aquesta manera aconseguir més volum de fabricació. Com per exemple les plaques bipolars d’acer 316L o alumini les substituiríem per grafit, amb el qual aquest material té la possibilitat de poder ser emmotllat per donar la forma de la matriu desitjada i d’aquesta manera agilitzar la producció.



CAPÍTOL 7. BIBLIOGRAFIA

7.1 Bibliografia consultada:

[A 1] Llinares J.I. i Moratilla B. :El hidrógeno y la energía:Universidad Pontificia Comillas i Asociacion Nacional de Ingenieros ICAI, Madrid, 2007.

[A 2] Sperling D. i Cannon J. :The hydrogen energy transition:ElSevier Academic Press, San Diego, 2004.

[A 3] Villares Martín M.:Cogeneración:FC Editorial, Madrid, 2000.

[A 4] Chandan A. :High temperature (HT) polymer electrolyte membrane fuel cells (PEMFC), Journal of Power Sources 231 (2013) 264-278

[A 5] Almarza J. :Diseño y Fabricación de una Pila de Combustible de Hidrógeno de Baja Potencia: UPC, Terrasa, 2010.

[A 6] Román Ganzer J. :Pilas de Combustible PEM de Alta Temperatura: CIMTAN, Madrid, 2008.

[A 7] Asensio Ganzer J.A. i Gómez Romero P. :Recent Developments on Proton Conduc- ting Poly(2,5-benzimidazole) (ABPBI) Membranes for High Temperature Poly-mer Electrolyte Membrane Fuel Cells ︎:ICMAB, CSIC UAB, Barcelona, 2005.

[A 8] Hu J. , Zang H. i Zhai Y. :Electrochimica: Acta 52, 394-401, Taiwan, 2006.

[A 9] Zhai Y. i Zang H. :Journal of Power Sources 164: 126-133, Taiwan, 2007.

[A 10] Authayanun S. , Mamlouk M. , Scott K. i Arpornwichanop A. :Design and Analysis of HT-PEMFC Systems with Different Fuel Processors for Stationary Applications: Newcastle University, Newcastle, 2012.

[A 11] G. Fierro J.L. :El hidrógeno: metodologías de producción: CSIC, Madrid, 2008.

[A 12] Koraishy B. , Meyers J.P. i Wood K.L. :Manufacturing of membrane electrode assemblies for fuel cells: 2009.

[A 13] Yuan X.Z. , Wang H. , Zhang J. i Wilkinson D.P. :Bipolar Plates for PEM Fuel Cells - From Materials to Processing: Institute for Fuel Cell Innovation, Vancouver, 2006.

[A 14] Alayavalli K. i Bourell D.L. :Fabrication and Testing of Graphite Bipolar Plates for Direct Methanol Fuel Cells: University of Texas, Austin, 2010.

[A 15] Heinzel A. , Mahlendorf F. i Jansen C. :Bipolar Plates: University of Duisbur-Essen, Duisburg 2009.

[A 16] Gladczuk L. , Joshi C. i Patel A. :Multifunction Constructive System For Bipolar Plates In Pem Fuel Cells: 2003.



[A 17] Hernández O.A. i Martínez Z. :Diseño i construcción de un stack de celdas de combustible tipo PEM: Universidad Autónoma Chapingo, Chapingo 2011.

[A 18] Navarro A. : Membranas electrolíticas de poro relleno para pilas de combustible poliméricas: Universidad Complutense de Madrid, Madrid 2008.

[A 19] Llorca J. :El hidrógeno y nuestro futuro energético: Edicions UPC, Barcelona 2010.

[A 20] Çengel Y. :Transferencia de calor y masa: Mc Graw Hill, University of Nevada 2007.

[A 21] Gutierrez-Martin F. i Dominguez-De juan M.T. :Hidrógeno electrolítico para la gestión de la red eléctrica: eolus 53, Madrid 2011.

7.2 Pàgines web consultades:

[W 1] http://www.energia2012.es/sites/default/files/Hidrógeno

[W 2] http://www.wikipedia.org

[W 3] http://www.energia2012.es

[W 4] http://www.fuelcelltoday.com/technologies/pemfc

[W 5] http://www.aeh2.org

[W 6] http://www.antoniolima.web.br.com/arquivos/podercalorifico.htm

[W 7] http://webserver.dmt.upm.es/~isidoro/bk3/c15/Fuel%20properties.pdf

[W 8] http://fgcsic.es

[W 9] http://epastor.webs.ull.es/Tema%202%20Parte%20a.pdf

[W 10] http://quimica.laguia2000.com/enlaces-quimicos/electrolisis-del-agua

[W 11] http://www.pilasde.com/tecnologia-del-hidrogeno/almacenamientgo-h2

[W 12] http://hydrogen.pnl.gov

[W 13] http://ec.europa.eu/eurostat/web/main

[W 14] http://articles.sae.org/13493/

[W 15] http://www.abellolinde.es/internet.lg.lg.esp/es/images/CS_13_%20v %2012%20(manipulación%20de%20hidrógeno)316_25939.pdf

[W 16] http://gitel.unizar.es/?modulo=investigacion/tu/tu

[W 17] http://www.engineeringtoolbox.com/convective-heat-transfer-d_430.html


http://www.energia2012.es/sites/default/files/Hidr%C3%B3geno

http://www.wikipedia.org

http://www.energia2012

http://www.fuelcelltoday.com/technologies/pemfc

http://www.aeh2.org

http://www.antoniolima.web.br.com/arquivos/podercalorifico.htm

http://webserver.dmt.upm.es/~isidoro/bk3/c15/Fuel%20properties.pdf

http://www.fgcsic.es/lychnos/es_es/articulos/hidrogeno_metodologias_de_produccion

http://epastor.webs.ull.es/Tema%202%20Parte%20a.pdf

http://quimica.laguia2000.com/enlaces-quimicos/electrolisis-del-agua

http://www.pilasde.com/tecnologia-del-hidrogeno/almacenamientgo-h2

http://hydrogen.pnl.gov

http://ec.europa.eu/eurostat/web/main

http://articles.sae.org/13493/

http://www.abellolinde.es/internet.lg.lg.esp/es/images/CS_13_%20v

http://www.engineeringtoolbox.com/convective-heat-transfer-d_430.html

Treball Pila Hidrogen

Documents

Transcript of Treball Pila Hidrogen