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Reducción de peso y volumenen pilas de combustible de

alcohol directo

Óscar Santiago Carretero

Seminario: Pilas de combustible de baja temperatura en aplicaciones navales y aeronáuticas: proyecto PILCONAER

Escuela Técnica Superior de Ingeniería Aeronáutica y del

Espacio

Escuela Técnica Superior de Ingenieros Navales

8 de Febrero de 2018

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Pilas de combustible de baja temperatura en aplicaciones navales y aeronáuticas: proyecto PILCONAER ETSI Navales 08/02/2018

¿Por qué pilas de combustible de alcohol directo?

El hidrógeno

Fuente: https://energy.gov/eere/fuelcells/hydrogen-storage

Fuente: Informe “Global Automotive Executive Survey 2017” de

KPMG

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Pilas de combustible de baja temperatura en aplicaciones navales y aeronáuticas: proyecto PILCONAER ETSI Navales 08/02/2018

¿Por qué pilas de combustible de alcohol directo?

El hidrógeno

Dificultades

AlmacenamientoDistribución Producción

Metanol y Etanol

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Operación de las pilas de combustible de alcohol directo

CH3OH

CO2

H2O

V e-

H2O

CH3OH

+

H2O

O2

H+

e-

H+

O2

O2

H2O

H2O

ÁNODO CÁTODOELECTROLITO

CO2

CO2

CH3OH

CH3OH + H2O → CO2 + 6H+ + 6e-

1.5O2 + 6H+ + 6e- → 3H2O

CH3OH + 1.5O2 → CO2 + 2H2O

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Masa y volumen en aplicaciones navales y aeronáuticas

mg

Sustentación

Resistencia

Empuje

mg

Resistencia

Flotabilidad

Propulsión

Si m ⇒

Consumo de combustible

Alcance

Autonomía

Carga de Pago

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Masa y volumen en aplicaciones navales y aeronáuticas

mg

Sustentación

Resistencia

Empuje

mg

Resistencia

Flotabilidad

Propulsión

Si Volumen ⇒

Influencia en el diseño

Mayor superficie mojada

Mayor resistencia

Mayor consumo de combustible

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Influencia de la curva de polarización

T=70 °C

Datos de diseño

Potencia Stack (PT) 200 W

Voltaje Stack (VT) 12 V

Temperatura (T) 70 ºC

Mejora de la curva de polarización ⇒ Disminución de peso y volumen

Número de celdas: 30 celdas

Área electrodo: 294 cm2

Número de celdas: 30 celdas

Área electrodo: 234.3 cm2

T=70 °C

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Influencia del diseño

¿Por qué es necesario apilar monoceldas?

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Influencia del diseño

Las placas bipolares suponen aprox el 85%

masa, el 90% volumen y el 45% del coste del stack

Gran influencia del material y del diseño

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Influencia del diseño

Objetivos de las placas bipolares para 2020 según DoE

Property Target Notes

Cost < 3 $/kW 2002 dollars, 500,000 stacks per

year

Corrosion resistance

(anode)

<1 μA cm−2 pH 3, 0.1 ppm HF, 80 °C, Ar purge

Potentiodynamic test

Corrosion resistance

(cathode)

<1 μA cm−2 pH 3, 0.1 ppm HF, 80 °C, aerated

Potentiostatic test (>24 h)

0.6 V (Ag/AgCl),

ipassive < 50 nA cm−2

Electrical conductivity >100 S cm−1

Area specific

resistance

<0.01 Ω cm2 Including contact resistance at

138 N cm−2

Hydrogen

permeability

<1.3.10−14 cm3

(s cm2 Pa)

Flexural strength >25 MPa

Forming elongation 40%

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Influencia del diseño

Materiales para placas bipolares

Grafito de alta densidad

Materiales metálicos

• Acero inoxidable

• Aluminio

• Titanio

• Recubrimiento y modificación superficial

Materiales compuestos con carbono

• Polímeros (termoplásticos y termoestables)• Refuerzo (grafito, fibras de carbono, óxido de grafeno)

Fuente: www.tech-etch.com/photoetch/fuelcell.html

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Problema de diseño

Reducción de volumen

AUV Urashima Fuel Cell UAV Ion Tiger Fuel Cell

Reducción de peso

Correcto funcionamiento

DISEÑO PRELIMINAR

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Problema de diseño

AUV Urashima Fuel Cell UAV Ion Tiger Fuel Cell

0

1

micafluidodináfvolumenfmasaf

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Problema de diseño

Metodología para el diseño1º Paso: Parametrización ⇒ VECTOR DE DISEÑO

b

h

2ra

Ta

Tc

2rc

𝑁𝑐

σ𝑎σ𝑐κ𝑎γ𝑎κ𝑐γ𝑐ξ𝑎ξ𝑐𝑟𝐴𝑟𝐶𝑎𝑟𝐶𝑐

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Problema de diseño

Metodología para el diseño1º Paso: Parametrización ⇒ VECTOR DE DISEÑO

2º Paso: Cálculo de la masa y el volumen del stack a partir del vector de diseño

VECTOR DE DISEÑO + MATERIAL =MASAVOLUMEN

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Problema de diseño

Metodología para el diseño1º Paso: Parametrización ⇒ VECTOR DE DISEÑO

2º Paso: Cálculo de la masa y el volumen del stack a partir del vector de diseño

3º Paso: Cálculo fluidodinámico

𝑣1 𝑥

𝑃1 𝑥

𝑣1 𝑥 + ∆𝑥

𝑃1 𝑥 + ∆𝑥

𝑣𝑠

𝑣1𝑠𝜏𝑤

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Problema de diseño

¿Cómo obtener el vector de diseño que optimiza la función?

0

1

micafluidodináfvolumenfmasaf

ALGORITMO GENÉTICO

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Problema de diseño

Software para el diseño de stacks para aplicaciones embarcables

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Conclusiones

• Las DAFC son útiles en determinadas aplicaciones

• Gran importancia de peso y volumen de los sistemas

• Gran influencia de las actuaciones de la monocelda

• Las placas bipolares representan la mayor parte del peso y

volumen

• Los materiales para placas bipolares son un gran campo de

investigación

• El diseño de las placas bipolares es de gran importancia

• Es posible optimizar el peso/volumen de stacks DMFC en el

prediseño

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¡Muchas Gracias

por su Atención!

oscar.santiago.carretero@upm.es