presentación de powerpoint - upm. navales/general/cursos y... · 2018-02-26 · pilas de...
TRANSCRIPT
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
2
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
3
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
4
Pilas de combustible de baja temperatura en aplicaciones navales y aeronáuticas: proyecto PILCONAER ETSI Navales 08/02/2018
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
5
Pilas de combustible de baja temperatura en aplicaciones navales y aeronáuticas: proyecto PILCONAER ETSI Navales 08/02/2018
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
6
Pilas de combustible de baja temperatura en aplicaciones navales y aeronáuticas: proyecto PILCONAER ETSI Navales 08/02/2018
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
7
Pilas de combustible de baja temperatura en aplicaciones navales y aeronáuticas: proyecto PILCONAER ETSI Navales 08/02/2018
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
8
Pilas de combustible de baja temperatura en aplicaciones navales y aeronáuticas: proyecto PILCONAER ETSI Navales 08/02/2018
Influencia del diseño
¿Por qué es necesario apilar monoceldas?
9
Pilas de combustible de baja temperatura en aplicaciones navales y aeronáuticas: proyecto PILCONAER ETSI Navales 08/02/2018
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
10
Pilas de combustible de baja temperatura en aplicaciones navales y aeronáuticas: proyecto PILCONAER ETSI Navales 08/02/2018
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%
11
Pilas de combustible de baja temperatura en aplicaciones navales y aeronáuticas: proyecto PILCONAER ETSI Navales 08/02/2018
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
12
Pilas de combustible de baja temperatura en aplicaciones navales y aeronáuticas: proyecto PILCONAER ETSI Navales 08/02/2018
Problema de diseño
Reducción de volumen
AUV Urashima Fuel Cell UAV Ion Tiger Fuel Cell
Reducción de peso
Correcto funcionamiento
DISEÑO PRELIMINAR
13
Pilas de combustible de baja temperatura en aplicaciones navales y aeronáuticas: proyecto PILCONAER ETSI Navales 08/02/2018
Problema de diseño
AUV Urashima Fuel Cell UAV Ion Tiger Fuel Cell
0
1
micafluidodináfvolumenfmasaf
14
Pilas de combustible de baja temperatura en aplicaciones navales y aeronáuticas: proyecto PILCONAER ETSI Navales 08/02/2018
Problema de diseño
Metodología para el diseño1º Paso: Parametrización ⇒ VECTOR DE DISEÑO
b
h
2ra
Ta
Tc
2rc
𝑁𝑐
σ𝑎σ𝑐κ𝑎γ𝑎κ𝑐γ𝑐ξ𝑎ξ𝑐𝑟𝐴𝑟𝐶𝑎𝑟𝐶𝑐
15
Pilas de combustible de baja temperatura en aplicaciones navales y aeronáuticas: proyecto PILCONAER ETSI Navales 08/02/2018
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
16
Pilas de combustible de baja temperatura en aplicaciones navales y aeronáuticas: proyecto PILCONAER ETSI Navales 08/02/2018
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
17
Pilas de combustible de baja temperatura en aplicaciones navales y aeronáuticas: proyecto PILCONAER ETSI Navales 08/02/2018
Problema de diseño
¿Cómo obtener el vector de diseño que optimiza la función?
0
1
micafluidodináfvolumenfmasaf
ALGORITMO GENÉTICO
18
Pilas de combustible de baja temperatura en aplicaciones navales y aeronáuticas: proyecto PILCONAER ETSI Navales 08/02/2018
Problema de diseño
Software para el diseño de stacks para aplicaciones embarcables
19
Pilas de combustible de baja temperatura en aplicaciones navales y aeronáuticas: proyecto PILCONAER ETSI Navales 08/02/2018
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
20
Pilas de combustible de baja temperatura en aplicaciones navales y aeronáuticas: proyecto PILCONAER ETSI Navales 08/02/2018
¡Muchas Gracias
por su Atención!