Presentación de PowerPoint - UPM. Navales/GENERAL/CURSOS Y... · 2018-02-26 · Pilas de...
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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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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
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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
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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
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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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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
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