Modelización del electrolito, monocelda y stack en pilas de combustible poliméricas

Abstract

La pila de combustible de baja temperatura es una tecnología limpia y ecológica que permite la conversión directa de la energía química de un combustible, como hidrógeno o alcohol, en electricidad. Son varias las aplicaciones de esta tecnología y se están aplicando en sectores como automoción, industria naval, aeronaves no tripuladas, electrónica de consumo, etc. Para el uso masivo de esta tecnología son necesarias mejoras en el diseño del electrolito, monocelda y stack; lo que constituye el objetivo principal de este proyecto.

Las membranas electrolito deben cumplir condiciones muy específicas, como buena estabilidad mecánica y química. Las que actualmente se encuentran en el mercado presentan inconvenientes como crossover y elevado coste. Para superar estas desventajas, en este trabajo se ha desarrollado y aplicado una metodología que permite establecer un procedimiento para diseñar membranas con propiedades específicas optimizadas. Así, uno de los objetivos del presente estudio es correlacionar las propiedades dieléctricas, la dinámica molecular y la conductividad con la composición de la membrana para predecir su comportamiento.

Por esta razón, se han preparado y caracterizado membranas compuestas de alcohol polivinílico con masas moleculares distintas, entrecruzadas con ácido sulfosuccínico, a las que se les ha añadido distintas proporciones de óxido de grafeno. Una vez analizada su estructura química final por medio de espectroscopía infrarroja, su morfología superficial mediante microscopía electrónica de transmisión y sus propiedades y estabilidad térmica por calorimetría diferencial de barrido y análisis termogravimétrico, se estudió y modelizó su comportamiento eléctrico. Para ello, se determinaron las corrientes de polarización/despolarización y los espectros de relajaciones dieléctricas con el fin de obtener la capacidad de transferencia iónica, la movilidad molecular, la conductividad eléctrica y protónica y establecer el mecanismo que gobierna la movilidad de los protones a través del electrolito.

Las monoceldas que se prepararon con las membranas compuestas se ensayaron con hidrógeno/oxígeno. Asimismo, estas membranas se evaluaron con metanol/oxígeno en la ETSIAE de la UPM, en el marco de los proyectos del Ministerio de Economía y Competitividad DOME-POL(ENE2011-28735-C02-01) y POLYCELL(ENE2014-53734-C2-1-R). De este modo, se fijó la concentración óptima de metanol, se obtuvieron las curvas características de voltaje y los valores de máxima potencia para cada electrolito. Al mismo tiempo, se ensayó una membrana comercial de Nafion117, que se tomó como referencia. Las curvas de voltaje-intensidad se modelizaron aplicando un modelo 0D, teniendo en cuenta los mecanismos dominantes de pérdidas de voltaje y aplicando la simplificación de Tafel. Los parámetros más significativos se relacionaron con la estructura y propie-dades del electrolito.

Basándose en los resultados obtenidos para el electrolito y la monocelda, se ha diseñado un sistema de stack con las prestaciones necesarias para alimentar un motor brussless, que sustituye a un motor de combustión interna en una maqueta de camión teledirigido. Para ello, se diseñó una celda unitaria con el programa Solidworks. Los patrones de flujo de la placa bipolar, se evaluaron mediante las pérdidas de carga que se obtuvieron por simulaciones. También se llevó a cabo la selección de materiales más adecuados para la construcción de la celda, que se elaboró en placas de grafito laminado. Además, se determinó su potencia máxima para el sistema metanol/oxígeno. Con estos resultados se calculó el tamaño y número de celdas del stack y se seleccionaron los elementos auxiliares a partir de los cauda-les de fluido necesarios. Con todo ello, se ha contribuido a optimizar el diseño de los electrolitos, monoceldas y stacks para pilas de combustible de intercambio protónico con el fin de impulsa

The low temperature fuel cell is a clean and ecological technology that allows the direct conversion of the chemical energy of a fuel, such as hydrogen or alcohol, into electricity. There are several applications of this technology and they are being applied in sectors such as automotives, naval industry, unmanned aircrafts, consumer electronics, etc. For the massive use of this technology, improvements are needed in the design of the electrolyte, cell and stack; what constitutes the main objective of this project.

The electrolyte membranes must meet very specific conditions, such as good mechanical and chemical stability. Those currently on the market have drawbacks such as crossover and high cost. To overcome these disadvantages, in this work has been developed and applied a methodology that allows to establish a procedure to design membranes with specific optimized properties. Thus, one of the objectives of the present study is to correlate dielectric properties, molecular dynamics and conductivity with the composition of the membrane to predict its behavior.

For this reason, membranes composed of polyvinyl alcohol with different molecular masses, cross-linked with sulfosuccinic acid, with different proportions of graphene oxide have been prepared and characterized . Once analyzed its final chemical structure by means of infrared spectroscopy, its surface morphology by transmission electron microscopy and its properties and thermal stability by differential scanning calorimetry and thermogravimetric analysis, its electrical behavior was studied and modeled. For this reason, the polarization / depolarization currents and the dielectric relaxation spectra were determined in order to obtain the capacity of ionic transfer, the molecular mobility, the electrical and protonic conductivity and to establish the mechanism that governs the mobility of the protons through the electrolyte.

The monocells were equipped with the composite membranes and tested with hydrogen/oxygen. Also, these membranes were evaluated in another methanol / oxygen test bench of the ETSIAE of the UPM, within the framework of the projects of the Ministry of Economy and Competitiveness DOMEPOL (ENE2011-28735-C02-01) and POLYCELL (ENE2014 -53734-C2-1-R). In this way, the optimum concentration of methanol was fixed, the voltage characteristic curves and the maximum power values for each electrolyte were obtained. At the same time, a commercial membrane of Nafion117 was tested, which was taken as a reference. The voltage-intensity curves were modeled applying a 0D model, taking into account the dominant mechanisms of voltage losses and applying the simplification of Tafel. The most significant parameters were related to the structure and properties of the electrolyte.

Based on the results obtained for the electrolyte and the single cell, a stack system has been designed with the necessary features to power a bruss-less motor, which replaces an internal combustion engine in a remote-controlled truck model. To do this, a unit cell was designed with the Solidworks program. The flow patterns of the bipolar plate were evaluated by the load losses that were obtained by simulations. The selection of the most suitable materials for the construction of the cell was also carried out, which was elaborated in laminated graphite plates. In addition, its maximum power for the methanol / oxygen system was determined. With these results, the size and number of cells in the stack were calculated and the auxiliary elements were selected from the necessary fluid flow rates. With all this, it has helped to optimize the design of electrolytes, cells and stacks for proton exchange fuel cells in order to boost this technology in a generalized way.

La pila de combustible de baixa temperatura és una tecnologia neta i ecològica que permet la conversió directa de l'energia química d'un combustible, com hidrogen o alcohol, en electricitat. Són diverses les aplicacions d'aquesta tecnologia i s'estan aplicant en sectors com automoció, indústria naval, aeronaus no tripulades, electrònica de consum, etc. Per a l'ús massiu d'aquesta tecnologia són necessàries millores en el disseny de l'electròlit, monocelda i stack; el que constitueix l'objectiu principal d'aquest projecte.

Les membranes electròlit han de complir condicions molt específiques, com una bona estabilitat mecànica i química. Les que actualment es troben al mercat presenten inconvenients com crossover i elevat cost. Per superar aquestes desventaxes, en aquest treball s'ha desenvolupat i aplicat una metodologia que permet establir un procediment per dissenyar membranes amb propietats específiques optimitzades. Així, un dels objectius d'aquest estudi és correlacionar les propietats dielèctriques, la dinàmica molecular i la conductivitat amb la composició de la membrana per a predir el seu compor-tament.

Per aquesta raó, s'han preparat i caracteritzat membranes compostes d'alcohol polivinílic amb masses moleculars diferents, entrecreuades amb àcid sulfosuccínic, a les quals se'ls ha afegit diferents proporcions d'òxid de grafè. Un cop analitzada la seva estructura química final per mitjà d'espectroscòpia infraroja, la seva morfologia superficial mitjançant microscòpia electrònica de transmissió i les seves propietats i estabilitat tèrmica per calorimetria diferencial d'escombrat i anàlisi termogravimètrica, es va estudiar i modelitzar el seu comportament elèctric. Per això, es van determinar les corrents de polarització / despolarització i els espectres de relaxacions dielèctriques per tal d'obtenir la capacitat de transferència iònica, la mobilitat molecular, la conductivitat elèctrica i protònica i establir el mecanisme que governa la mobilitat de els protons a través de l'electròlit.

Les monoceldas es van equipar amb les membranes compostes i es van assajar amb hidrogen / oxigen. Així mateix, aquestes membranes es van avaluar en un altre banc d'assaig amb metanol / oxigen de la ETSIAE de la UPM, en el marc dels projectes del ministeri d'Economia i Competitivitat DOMEPOL (ENE2011-28735-C02-01) i POLYCELL (ENE2014 -53.734-C2-1-R). D'aquesta manera, es va fixar la concentració òptima de metanol, es van obtenir les corbes característiques de voltatge i els valors de màxima potència per a cada electròlit. Alhora, es va assajar una membrana comercial de Nafion117, que es va prendre com a referència. Les corbes de voltatge-intensitat es modelaren aplicant un model 0D, tenint en compte els mecanismes dominants de pèrdues de voltatge i aplicant la simplificació de Tafel. Els paràmetres més significatives es van relacionar amb l'estructura i propietats de l'electròlit.

Basant-se en els resultats obtinguts per l'electròlit i la monocelda, s'ha dissenyat un sistema de stack amb les prestacions necessàries per alimentar un motor Bruss-less, que substitueix un motor de combustió interna en una maqueta de camió teledirígit. Per a això, es va dissenyar una cel·la unitària amb el programa Solidworks. Els patrons de flux de la placa bipolar, es van avaluar mitjançant les pèrdues de càrrega que es van obtenir per simulacions. També es va dur a terme la selecció de materials més adequats per a la construcció de la cel·la, que es va elaborar en plaques de grafit laminat. A més, es va determinar la seva potència màxima per al sistema metanol / oxigen. Amb aquests resultats es va calcular la mida i nombre de cel·les de l'stack i es van seleccionar els elements auxiliars a partir dels cabals de fluid necessaris. Amb tot això, s'ha contribuït a optimitzar el disseny dels electròlits, monoceldas i stacks per a piles de combustible d'intercanvi protònic p