26

3 EXPERIMENTACIÓN

En este capitulo se describe todo lo relativo a la experimentación de la monocelda. En primer

lugar se describe el equipo usado para la realización de la parte experimental así como cada

componente usado en la monocelda.

Acto seguido se describe brevemente la normativa usada para la realización de los ensayos.

Por último, se presentan los resultados obtenidos de la experimentación y se comparan entre

si para evaluar el efecto de cada una de las variables de operación.

Destacar que la parte experimental se ha realizado con éxito y fluidez gracias a los medios

aportados por el INTA (Instituto Nacional de Técnicas Aeroespacial).

27

3.1 DESCRIPCION DEL BANCO DE ENSAYO Y SU FUNCIONAMINETO

El banco de ensayo que se ha usado para la caracterización de la monocelda se encuentra

situado en las instalaciones del Instituto Nacional de Técnicas Aeroespacial (INTA) en Huelva. El

banco de ensayo en cuestión es un FuelCon CT-1000-LT (Alemán). En la Figura 12 se muestra

una imagen del mismo.

Figura 12. Foto del FuelCon usado para caracterizar la monocelda

Las características del banco de ensayo son:

- Caudal en ánodo: 0.2 a 10 Nl/min

- Caudal en cátodo: 0.4 a 20 Nl/min

- Humidificación en ánodo/cátodo

- Medida de tensión celda individual

- Máxima potencia: 600 W

- Máxima intensidad: 100 A

28

- Analizador de impedancia

- Modo Dead End y Continuo

El panel del control del FuelCol CT-1000-LT, desde donde se controla todas las variables de

operación de la pila de combustible tipo PEM, se muestra en la Figura 13.

Figura 13. Panel de control del FuelCon

Las variables de operación que son necesarias fijar para realizar el ensayo típico de una pila de

combustible son la temperatura y presión de operación, los coeficientes estequiométricos en

ánodo y cátodo y la humedad relativa en la corriente de ánodo y cátodo.

29

A continuación se especifica la forma de controlar dichas variables de operación y la

instrumentación disponible para situar las variables de operación en los valores requeridos

para cada ensayo en cuestión.

El control de la estequiometría de los reactivos se realiza introduciendo directamente el Set

Point del coeficiente estequiométrico del ánodo y cátodo. Para ello, el sistema cuenta con un

caudalímetro y un control introducido por la ley de Faraday (Ver Ec 7).

Para el control de la temperatura de la monocelda, se coloca un termopar que contacta con la

placa bipolar. Aunque la medida es puntual, se asume que dicha temperatura es la de la

monocelda. El Set Point de la temperatura de operación se introduce directamente en el panel

de control y se controla gracias a una resistencia eléctrica que envuelve la monocelda. En caso

de que la temperatura de la monocelda sobrepase el valor establecido por el Set Point, se

dispone de un pequeño ventilador para evacuar el calor generado y reducir la temperatura de

la monocelda.

La presión de operación de controla con un ``backpressure regulator´´ situado en la recogida

de gases de salida. Dicho Set Point también se introduce directamente en el panel de control.

El parámetro que presenta mayor dificultad de control es la humedad relativa de los gases de

entrada, ya que, no se dispone de un Set Point directo que lo regule. En este caso, la humedad

relativa se controla con 4 variables (dos para ánodo y dos para cátodo).La humedad relativa es

controlada por la temperatura del depósito de agua líquida para ánodo y cátodo

(humidificador) y por la temperatura de las corrientes gaseosas de ánodo y cátodo. La

corriente de ánodo y cátodo se introduce en su humidificador correspondiente y dependiendo

de la temperatura de ambas se humidifica hasta un cierto grado. Por lo tanto, para fijar una

humedad relativa, hay que conocer la correlación que relaciona la humedad relativa con la

temperatura del humidificador y de la corriente gaseosa. Para la medida de las temperaturas

de las corrientes y de los humidificadores se tienen 4 termopares.

30

3.2 DESCRIPCION DE LOS ELEMENTOS QUE FORMAN LA

MONOCELDA

La monocelda usada para la realización de la parte experimental es una ElectroChem con un

área efectiva de 50 cm2. En la Figura 14 se muestra imágenes de la monocelda vista desde la

perspectiva de la entrada y salida de gases y vista de perfil.

Figura 14. Fotos de la monocelda. a) Vista de salida de los gases, b) Vista de entrada de los gases, c) Vista de perfil

Todas las pila de combustible tipo PEM esta formada por dos placas bipolares, dos GDLs, dos

catalizadores y una membrana. A continuación de describen las especificaciones técnicas de

cada uno de los elementos que se han usado en la monocelda así como la función que

desempeña cada elemento.

a) b)

)

a)

a)

c)

31

3.2.1 Placas Bipolares

El material de las placas bipolares es grafito con canales en serpentín (quíntuple). En la Figura

15 se muestra una imagen de placa bipolar en cuestión.

Figura 15. Placa bipolar usada en la parte experimental

Las propiedades del grafito se específica en la Tabla 1 :

Grafito

Cond. Eléctrica (Ωm)-1 95000 Cond. Térmica (W/mK) 120 Densidad (kg/m3) 1990 Resist. Térm (ºC) 180 Resist. Mec (MPa) 69 Espesor BP (mm) 9.5

Tabla 1. Propiedad del grafito

32

3.2.2 GDLs

La placa difusora de gases o GDL por sus siglas en ingles(``Gas Diffusion Layer´´ ) usada es de la

marca Quintech. Tiene un espesor de 400 micras y un área activa de 50 cm2 (igual que las

placas bipolares). En la Figura 16 se adjunta una foto de la misma.

Figura 16. GDL usada en la parte experimental

33

3.2.3 Membrana + catalizadores (MEA):

En este caso, los catalizadores y la membrana suelen venderse como una sola pieza

comúnmente conocida como MEA. Al igual que la GDL, la marca usada es Quintech. La

membrana es de Nafion® y el catalizador usado es platino. La carga en cátodo es de 0.6 mg

Pt/cm2 mientras que la carga en ánodo es de 0.3 mg Pt/ cm2. El área activa es de 50 cm2. En la

Figura 17 se adjunta un imagen de la MEA.

Figura 17. MEA usada en la parte experimental

34

3.3 PLAN DE ENSAYO DE LA MONOCELDA

Para caracterizar la monocelda se ha realizado una serie de ensayos de la monocelda bajo

diferentes condiciones de operación con el fin de obtener la curva de polarización en

diferentes escenarios. Las variables de operación de una pila de combustible tipo PEM son la

presión y temperatura de operación, la estequiometría en ánodo y cátodo y la humedad

relativa en ánodo y catado. En el ANEXO 1 se adjunta la guía de operación de la monocelda en

cuestión. A excepción de la presión de operación (la cual se ha fijado en 3 bar) se han variado

el resto de parámetros con el objetivo de conocer como influye cada uno de ellos en la

operación de la monocelda. En total, se han realizado un total de 10 ensayos que se muestran

en la Tabla 2:

Ensayo Pope (bar) αcátodo αánodo Tope(º C) HR (%)

1 3 2 1.5 55 50 2 3 3.5 2 55 50 3 3 2 1.5 55 100 4 3 2 2 55 100 5 3 3.5 1.5 55 100 6 3 3.5 2 55 100 7 3 2 1.5 40 50 8 3 3.5 2 40 50 9 3 2 1.5 40 100

10 3 3.5 2 40 100 Tabla 2. Condiciones de operación de los ensayos realizados

La presión de operación se ha fijado y no se ha variado ya que es la variable que menos afecta

a las prestaciones de una monocelda [10] aunque es bien sabido que un aumento en la presión

de operación mejora las prestaciones de la misma.

En el caso de la estequiometría usada, en cátodo se ha variado de 2 a 3.5 y en ánodo de 1.5 a 2

ya que son los valores típicos que se suelen usar en este tipo de pilas de combustible. La

estequiometría de cátodo suele ser más elevada que en ánodo, ya que, ayuda a evacuar el

agua generada en la pila evitando que la membrana se sature de agua liquida.

Para analizar la influencia de la temperatura se ha seleccionado una temperatura de 55ºC y

40ºC. Se conoce que un aumento en la temperatura de operación mejora las prestaciones de

pila de combustible, sin embargo, temperatura de más de 70-80 ºC disminuyen la prestaciones

de la monocelda usada [12]ya que se empieza a generar vapor de agua y seca la membrana.

Los valores usados de temperatura para los ensayos son conservadores debido a que no se ha

querido arriesgar a deteriorar las membranas.

Por último, la humedad relativa en ánodo y cátodo se ha variado de 50 a 100%. Un aumento

de la humedad relativa mejora las prestaciones de la pila ya que humidifica la membrana y

facilita el paso de los iones H+ , sin embargo, en exceso de agua produce un encharcamiento en

cátodo (flooding) originando pérdidas por concentración.

35

3.4 RESULTADOS OBTENIDOS

En este apartado se realiza una comparación de los resultados obtenidos. Los resultados

individuales de cada uno de los ensayos se adjuntan en el ANEXO 2. Para la obtención de las

curva de polarización de cada uno de los ensayos se ha seguido la guía FCTESTNET para

monoceldas [13]. Destacar que también existe una guía para ensayos de stack que se usará

para ensayar el stack completo compuesto por 7 celdas [14].

Un resumen de las etapas a seguir según FCTESTNET son las siguientes:

1- Pre-acondicionamiento: Se intenta alcanzar las condiciones de operación de la

monocelda.

2- Acondicionamiento: Una vez alcanzada las condiciones de operación, se realiza una

primera curva de polarización. Los resultados obtenidos en el acondicionamiento no

deben de tomarse como valores finales.

3- Curva de polarización: En esta etapa, se realiza la curva de polarización y los datos

obtenidos son lo que se van a considerar como finales. Los resultados obtenidos no

deben de distar mucho de los resultados obtenidos en la etapa de acondicionamiento.

4- Tratamiento de datos: Hay que realizar un filtrado de datos ya que el banco de ensayo

guarda los valores de todas las variables cada intervalo de tiempo ``t´´. FCTESTNET

especifica como realizar dicho tratado y filtrado de datos.

5- Criterio de aceptación: El criterio de aceptación debe de ser elegido por el operador

de la monocelda. Se recomienda que la tensión de salida de la monocelda no varíe más

de 5 mV.

A continuación se realiza un análisis comparativo sobre los resultados obtenidos en el banco

de ensayo en función de las principales variables de operación (Temperatura de operación,

humedad relativa y estequiometria en ánodo y cátodo)

36

3.4.1 Temperatura de operación

Para la realización de este análisis se ha seleccionado la pareja de ensayos 1-7 y 3-9 debido a

que todas las variables de operación son constantes excepto la temperatura de operación. La

única diferencia entre la pareja de ensayos es la humedad relativa (en el primer caso es del

50% y en el segundo del 100%). En la Tabla 3 se muestran las condiciones de operación de los

ensayos seleccionados.

Ensayo Pope (bar) αcátodo αánodo Tope(º C) HR (%)

1 3 2 1.5 55 50 7 3 2 1.5 40 50 3 3 2 1.5 55 100 9 3 2 1.5 40 100

Tabla 3.Ensayos seleccionados para el análisis de la influencia de la temperatura de operación

En la Figura 18 se observa las diferencias existentes entere la curva de polarización obtenida

en el ensayo 1 y en el ensayo 7. Como era de esperar, para una temperatura más elevada las

prestaciones de la monocelda son mayores. Por otra parte, se observa que en la zona de

perdidas por activación las curvas son idénticas y estas se separan en la zona de pérdidas

óhmicas. Además, a medida que se aumenta la densidad de corriente en la zona de pérdidas

óhmicas, la diferencia entre ambas curvas aumenta mejorándose las prestaciones para el caso

de temperatura de operación más alta

Figura 18. Curva de polarización para diferentes temperaturas (HR=50%, λánodo=1,5 y λcátodo=2)

0.35

0.45

0.55

0.65

0.75

0.85

0.95

1.05

0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45

Ten

sió

n (

V)

Densidad de corriente (A/cm2)

Comparativa E1-E7 (Diferente Tope)

E7 (T=40ºC) E1(T=55ºC)

37

Este mismo efecto también se observa al comparar el ensayo 3 y el ensayo 9 (Ver Figura 19).

Para una temperatura de operación de 55 ºC las prestaciones son mejores que para una

temperatura de operación de 40 ºC.

Figura 19. Curva de polarización para diferentes temperaturas (HR=100%, λánodo=1,5 y λcátodo=2)

0.35

0.45

0.55

0.65

0.75

0.85

0.95

1.05

0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45

Ten

sió

n (

V)

Densidad de corriente (A/cm2)

Comparativa E3-E9 (Diferente Tope)

E9 (T=40ºC) E3 (T=55ºC)

38

3.4.2 Estequiometria en cátodo

Las parejas de ensayos que se han seleccionado para evaluar la influencia de la estequiometría

en cátodo son los ensayos 3-5 y 4-6. En este caso, la estequiometría en cátodo se ha variado de

2 a 3.5. En la Tabla 4 se muestran las condiciones de operación de los ensayos seleccionados.

Ensayo Pope (bar) αcátodo αánodo Tope(º C) HR (%)

3 3 2 1.5 55 100 5 3 3.5 1.5 55 100 4 3 2 2 55 100 6 3 3.5 2 55 100

Tabla 4. Ensayos seleccionados para el análisis de la influencia de la estequiometría en cátodo

Los resultados de la curva de polarización para la pareja de ensayos 3-5 se adjuntan en la

Figura 20. Se observa que las prestaciones de la monocelda mejoran al aumentar la

estequiometría en cátodo. Este efecto es más pronunciado a medida que se aumenta la

densidad de corriente.

Figura 20. Curva de polarización para diferentes estequiometrías en cátodo (HR=100%, λánodo=1,5 y Tope=55ºC)

En el caso de la pareja de ensayos 4 y 6 el efecto es el mismo (Ver Figura 21). Se observa que la

curva de polarización tan solo mejora a medida que aumenta la densidad de corriente. En este

caso, la mejora empieza a observarse a partir de 0,3 A/cm2. Destacar que la influencia en

cátodo es menor en la pareja de ensayos 4-6 que en la pareja 3-5 ya que la estequiometría en

0.35

0.45

0.55

0.65

0.75

0.85

0.95

1.05

0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45

Ten

sió

n (

V)

Densidad de corriente (A/cm2)

Comparativa E3-E5 (Diferente λcat)

E3 E5

39

ánodo es mayor. La influencia de la estequiometría en ánodo se analiza en el siguiente

apartado.

Figura 21. Curva de polarización para diferentes estequiometrías en cátodo (HR=100%, λánodo=2 y Tope=55ºC)

Por lo tanto, se observa que un aumento de la estequiometría en cátodo mejora las

prestaciones de la monocelda, sin embargo, dicha mejora tan solo se obtiene a medida que

aumenta la densidad de corriente y se acerca a la zona de pérdidas por concentración. Este

fenómeno se debe a que la estequiometría en cátodo ayuda a evacuar el agua de la

membrana, siendo este fenómeno importante para altas densidades de corriente. Por lo tanto,

para un mismo nivel de agua generada, una estequiometría en cátodo superior ayuda a la

evacuación de la misma impidiendo que se bloquen los poros de la membrana.

0.35

0.45

0.55

0.65

0.75

0.85

0.95

1.05

0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45

Ten

sió

n (

V)

Densidad de corriente (A/cm2)

Comparativa E4-E6 (Diferente λcat)

E4 E6

40

3.4.3 Estequiometria en ánodo

Para el análisis dela estequiometría en ánodo se han seleccionado dos parejas de ensayos cuya

temperatura de operación y humedad relativa son iguales. En primer lugar, la pareja de

ensayos 3-4 tiene un estequiometría en cátodo constante de 3 mientras que la pareja 5-6 tiene

una estequiometría en cátodo de 3.5. En la Tabla 5 se muestran los valores de las condiciones

de operación de los ensayos seleccionados.

Ensayo Pope (bar) αcátodo αánodo Tope(º C) HR (%)

3 3 2 1.5 55 100 4 3 2 2 55 100 5 3 3.5 1.5 55 100 6 3 3.5 2 55 100

Tabla 5. Ensayos seleccionados para el análisis de la influencia de la estequiometría en ánodo

En la Figura 22 se muestran las curvas de polarización de la pareja de ensayos 3-4.Se observa

que el ensayo 4 tienes mejores prestaciones que el ensayo 3. Por lo tanto, a la vista de los

resultados obtenidos, un aumento en la estequiometría en ánodo mejora las prestaciones de

la monocelda. Al igual que ocurrió en el análisis de la estequiometría en cátodo, las mejoras

que se obtienen son mayores a medida que aumenta la densidad de corriente y se acerca a la

zona de pérdidas por concentración.

Figura 22. Curva de polarización para diferentes estequiometrías en cátodo (HR=100%, λcátado=2 y Tope=55ºC)

0.35

0.45

0.55

0.65

0.75

0.85

0.95

1.05

0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45

Ten

sió

n (

V)

Densidad de corriente (A/cm2)

Comparativa E3-E4 (Diferente λ ánodo)

E3 E4

41

El mismo efecto se observa en la pareja de ensayos 5-6. Ambas curvas de polarización de

adjuntan en la Figura 23. En este caso, la estequiometría en cátodo es mayor que en el caso

anterior (3.5 frente a 2). Se observa que las mejoras se aprecian tan solo al para densidad de

corriente superiores a 0.3 A/cm2 (igual que ocurrió en el análisis de la influencia de la

estequiometría en cátodo).

Figura 23. Curva de polarización para diferentes estequiometrías en cátodo (HR=100%, λcátado=3,5 y Tope=55ºC)

A la vista de los resultados obtenidos, se concluye que un aumento en la estequiometría en

ánodo mejora las prestaciones de la monocelda. Sin embargo, esta mejora no se observa en

toda la zona de polarización sino a partir de un cierto valor de densidad de corriente (igual que

ocurrió al analizar la estequiometría en cátodo).

0.35

0.45

0.55

0.65

0.75

0.85

0.95

1.05

0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45

Ten

sió

n (

V)

Densidad de corriente (A/cm2)

Comparativa E5-E6 (Diferente λ ánodo)

E5 E6

42

3.4.4 Humedad relativa de los gases anódicos y catódicos

Por último, se analiza la influencia de la humedad relativa en los gases catódicos y anódicos. En

este caso, se han seleccionado tres parejas de ensayos para analizar la influencia de la

humedad relativa. En la Tabla 6 se muestran los ensayos seleccionados para el análisis, se trata

de la pareja de ensayos 1-3, 7,9 y 8-10. Se observan que para cada pareja, todas las

condiciones de operación son idénticas excepto la humedad relativa.

Ensayo Pope (bar) αcátodo αánodo Tope(º C) HR (%)

1 3 2 1.5 55 50 3 3 2 1.5 55 100 7 3 2 1.5 40 50 9 3 2 1.5 40 100 8 3 3.5 2 40 50

10 3 3.5 2 40 100 Tabla 6. Ensayos seleccionados para el análisis de la influencia de la estequiometría en ánodo

En la Figura 24 se observan las diferencias en la curva de polarización entre el ensayo 1 y 3. Las

dos curvas son idénticas y tan solo se separan para densidad de corriente superiores a 0.35

A/cm2. A partir de ese valor, las prestaciones de la monocelda aumentan a mayor humedad

relativa.

Este valor fenómeno se debe a que a alta densidad de corriente la membrana tiende a secarse

y empeora las prestaciones de la monocelda. Por lo tanto, a partir de un valor dado de

densidad de corriente, una alta humedad relativa ayuda a hidratar la membrana y aumentan

las prestaciones de la monocelda. Para observar con más claridad las diferencias se ha

realizado un zoom de la zona afectada por la operación con una baja humedad relativa.

Destacar que, para no degradar la membrana, se ha definido un Set Point de 0.4 V en todos los

ensayos a partir del cual es sistema para y deja de aumentarse la densidad de corriente. En

caso de no haber definido dicho Set Point se irían observando cada vez más diferencias a

medida que se aumenta la densidad de corriente.

43

Figura 24. Curva de polarización para diferentes humedades relativas (λánodo=1,5, λcátado=2 y Tope=55ºC)

Este mismo efecto se observa también en la pareja de ensayos 7-9 y 8 y 10. En el caso de la

pareja de ensayos 7-9 (Ver Figura 25) se observa que a partir de 0.24 A/cm2 las curvas de

polarización empiezan a separarse, obteniéndose mejores prestaciones para el caso de

HR=100 %.

En el caso de la pareja de ensayos 8-10 (Figura 26), se observa el mismo fenómeno. Además, se

aprecia que para una densidad de corriente 0.38 A/cm2 la tensión de la monocelda en el caso

de HR=100 % es de 0.42 V aproximadamente mientras que para el caso de HR=50% la medida

no existe ya que la tensión es inferior a 0.4 V y el sistema paro para proteger la membrana.

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

1.1

0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45

Ten

sió

n (

V)

Densidad de corriente (A/cm2)

Comparativa E1-E3 (Diferente HR)

0.4

0.42

0.44

0.46

0.48

0.5

0.52

0.54

0.35 0.36 0.37 0.38 0.39 0.4 0.41

Ten

sió

n (

V)

Densidad de corriente (A/cm2)

E1 E3

44

Figura 25. Curva de polarización para diferentes humedades relativas (λánodo=1,5, λcátado=2 y Tope=40ºC)

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

1.1

0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4

Ten

sió

n (

V)

Densidad de corriente (A/cm2)

Comparativa E7-E9 (Diferente HR)

0.4

0.42

0.44

0.46

0.48

0.5

0.52

0.54

0.22 0.24 0.26 0.28 0.3 0.32 0.34 0.36 0.38

Ten

sió

n (

V)

Densidad de corriente (A/cm2)

E7 E9

45

Figura 26. Curva de polarización para diferentes humedades relativas (λánodo=2, λcátado=3,5 y Tope=40ºC)

Por lo tanto, una vez realizado el análisis al variar la humedad relativa, se concluye que un

aumento de la humedad relativa mejora las prestaciones de la monocelda a partir de una

densidad de corriente determinada. Por lo tanto, si se quiere operar con una densidad de

corriente elevada, es necesario operar con humedades relativas elevadas, en cambio, si se

quiere operar con una densidad de corriente moderada, la humedad relativa puede bajarse sin

obtenerse demasiada penalización en las prestaciones de la monocelda.

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

1.1

0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4

Ten

sió

n (

V)

Densidad de corriente (A/cm2)

Comparativa E8-E10 (Diferente HR)

0.4

0.42

0.44

0.46

0.48

0.5

0.52

0.54

0.3 0.31 0.32 0.33 0.34 0.35 0.36 0.37 0.38 0.39

Ten

sió

n (

V)

Densidad de corriente (A/cm2)

E8 E10

46

3.5 INFLUENCIA DE LOS PARÁMETROS DE OPERACIÓN

A la vista de los resultados obtenido en la experimentación se concluye que:

- La temperatura de operación es el parámetro más influyente en las prestaciones de la

pila de combustible tipo PEM.

- La estequiometría usada tanto en cátodo como en ánodo juegan un papal

fundamental en la operación de la pila de combustible sobre todo a medida que se

aumenta la densidad de corriente.

- La humedad relativa de los gases anódicos y catódicos no afectan de forma apreciable

al rendimiento de la pila de combustible en la zona de pérdidas por activación u

óhmicas, sin embargo, pudiera ser importante para la zona de pérdidas por

concentración.