Las pilas de combustible jugarán un importante papel en el sector energético mundial a medio y largo plazo. Sus altos rendimientos de conversión, bajas emisiones de contaminantes, y alta densidad de potencia las presentan como una atractiva opción alternativa a los sistemas tradicionales de producción de energía eléctrica. El presente proyecto desarrollado por el grupo de trabajo de Termotecnia de AICIA pretende abrir un nuevo campo en la investigación de diseños optimizados de placas bipolares tipo PEM, de un enorme potencial ya que las estructuras tridimensionales en las que se basarían los nuevos diseños tienen la capacidad de distribuir de una forma más uniforme los reactantes en el área activa de la celda.
El proyecto ha tenido como propósito fundamental la generación de conocimiento científico y tecnológico de excelencia que permita abordar el reto de la sociedad andaluza de Energía segura, limpia, y eficiente, en concreto en placas bipolares de diseño novedoso en pilas de combustible tipo PEM, encuadradas como tecnología emergente en las áreas prioritarias de especialización establecidas en la Estrategia de Innovación de Andalucía 2020 (RIS3 Andalucía) y en el Plan Andaluz de Investigación, Desarrollo e Innovación (PAIDI 2020). Concretamente, los objetivos que se plantean el proyecto de investigación son los siguientes:
- Generar conocimiento y la capacidad para el desarrollo y fabricación de diseños novedosos tridimensionales de pilas de combustible tipo PEM.
- Introducir y acercar la novedosa tecnología de fabricación de prototipos mediante Selective Laser Melting (SLM) a la industria e investigación aeronáutica andaluza.
- Alcanzar dos prototipos con diseños que consigan al menos un incremento del 50% en la potencia generada con las mismas condiciones de operación que el caso base.
Para ello, el equipo de investigación ha realizado en primer lugar una propuesta de diseños novedosos basados en estructuras tridimensionales, que ha evaluado mediante el modelado multifásico de los diseños mediante técnicas de Fluidodinámica Computacional (CFD). A partir de la comparativa de los resultados de las simulaciones con respecto a las prestaciones de placas bipolares convencionales (caso base) se ha realizado la selección de los diseños más prometedores, con el fin de fabricar los prototipos. Una vez fabricados estos prototipos seleccionados, se han evaluado experimentalmente en el banco de ensayos de pilas de combustible tipo PEM disponible en el laboratorio del equipo de investigación. A partir de los resultados obtenidos se ha seleccionado el diseño más prometedor, que ha sido optimizado mediante nuevas simulaciones CFD. Una vez obtenido el diseño final, se ha fabricado el prototipo definitivo y se han realizado nuevas evaluaciones y caracterizaciones experimentales. En la figura 1 se muestra un resumen de la metodología seguida en el proyecto.
Figura 1: Metodología seguida para el desarrollo de placas bipolares basadas en estructuras 3D
Plan de trabajo y resultados obtenidos en el proyecto
El plan de trabajo desarrollado se ha dividido en 3 bloques principales. En un primer bloque, se han propuesto varios diseños de canales en placas bipolares basados en estructuras 3D y se han realizado diversos análisis CFD para determinar cuáles eran los diseños más prometedores. En base a estos análisis, en un segundo bloque, se ha procedido a la fabricación y caracterización experimental de los prototipos seleccionados. Finalmente, en un tercer bloque, se ha realizado una optimización de los diseños seleccionados previa a la fabricación de los diseños finales y su caracterización experimental.
Propuesta y selección de los diseños de placas bipolares basados en estructuras 3D
El proyecto ha comenzado con una extensa revisión bibliográfica, en la que se han seleccionado como referencia otros diseños tradicionales en cuanto a la disposición geométrica de los canales. Estos diseños de referencia seleccionados se incluyen en la figura 2 y se basan en un trazado paralelo de los canales (diseño paralelo) y en un trazado mixto de los canales entre serpentín y paralelo (diseño serpentín paralelo). Han sido empleados para comparar las prestaciones energéticas obtenidas por los nuevos diseños en cuanto a las prestaciones energéticas de la pila en diferentes condiciones de operación.
Figura 2: Geometría de los diseños convencionales de canales en paralelo (izquierda) y serpentín paralelo (derecha)
Se ha realizado un análisis fluidodinámico computacional (CFD) previo de los casos de referencia, con el objetivo de determinar las características fluidodinámicas de los diseños y analizar la homogeneidad en cuanto a las velocidades de los reactantes. Se ha analizado en particular si existían caminos preferenciales del fluido, zonas muertas o zonas de recirculación. En la figura 3 se muestra la geometría y las condiciones de contorno empleadas en el análisis CFD del diseño serpentín-paralelo. Los resultados obtenidos en cuanto a las distribuciones de velocidad y presión en los canales se muestran en la figura 4.
Figura 3: Análisis CFD: geometría y condiciones de contorno del diseño convencional serpentín paralelo
Figura 4: Análisis CFD: resultados del campo de velocidades (izquierda) y presiones (derecha) del diseño convencional serpentín paralelo
Asimismo, se han obtenido las prestaciones energéticas de los diseños convencionales a través de las curvas de polarización y las curvas de potencia para diferentes condiciones de operación. En las condiciones de operación se incluyen variaciones en la presión y temperatura de la celda, la humedad relativa en ánodo y cátodo y en los factores estequiométricos en ánodo y cátodo (ver figura 5).
Figura 5: Resultados experimentales de las curvas de potencia para diferentes condiciones de operación del diseño convencional serpentín paralelo
Una vez caracterizados los diseños de referencia, se han propuesto un total de 13 diseños iniciales de canales novedosos de placas bipolares pilas de combustible tipo PEM, basados en estructuras tridimensionales. Los diseños propuestos inicialmente se enumeran a continuación:
- 5 diseños tridimensionales inspirados en la naturaleza: 4 poseen una geometría en los canales inspirados en las venas de diferentes hojas y el otro basado en pulmones (ver figura 6).
Figura 6: Diseños propuestos con estructuras 3D inspiradas en hojas y pulmones
- 5 diseños con estructuras tridimensionales que presentan variaciones con respecto al caso base de serpentín paralelo incluyendo obstáculos, variaciones en las secciones de los canales (“tappered”) e inserciones porosas con 3 profundidades diferentes.
- 3 diseños de fabricación aditiva con canales internos: el primero incluye varias alimentaciones de reactante al serpentín paralelo, el segundo tiene una geometría de doble espiral con doble alimentación de reactante y el tercero tiene una geometría de serpentín simple e incluye refrigeración. En las figuras 7 y 8 se muestran respectivamente el diseño tipo serpentín propuesto para fabricación aditiva con refrigeración interna por agua y el diseño propuesto para fabricación aditiva con canales internos para varias alimentaciones de reactante.
Figura 7: Diseño tipo serpentín propuesto para fabricación aditiva con refrigeración interna por agua
Figura 8: Diseño propuesto con fabricación aditiva con canales internos varias alimentaciones de reactantes
Una vez propuestos los diseños, se han desarrollado una serie de modelos CFD con el objetivo de analizar las características de la distribución de velocidades y el reparto homogéneo de los reactantes junto con la distribución de presiones para obtener una estimación de la pérdida de carga que se produce en los canales. En las figuras 9, 10, 11 y 12 se muestran los resultados CFD obtenidos en algunos de los diseños propuestos.
Figura 9: Simulación CFD de los diseños propuestos con estructuras 3D inspiradas en hojas
Figura 10: Simulación CFD de los diseños propuestos con estructuras 3D inspiradas en pulmones
Figura 11: Simulación CFD de la distribución de temperaturas del diseño tipo serpentín propuesto para fabricación aditiva con refrigeración interna por agua
Figura 12: Simulación CFD de la distribución de velocidades del diseño propuesto para fabricación aditiva con canales internos para varias alimentaciones de reactante
Fabricación y caracterización experimental de los prototipos seleccionados
Del análisis preliminar se han seleccionado y fabricado los siguientes 5 diseños más prometedores en cuanto a prestaciones energéticas:
- 1 diseño tridimensional inspirado en pulmones, con varios canales verticales, cuyo plano se muestra en la figura 13.
Figura 13: Selección y fabricación del diseño inspirado en pulmones
- 1 diseño con estructuras tridimensionales que presentan variaciones con respecto al caso base de serpentín paralelo incluyendo variaciones en las secciones de los canales (“tappered”). En la figura 14 se muestra el esquema del diseño que incluye profuncidades en el canal que varían desde 0.7 mm a 1.1 mm.
Figura 14: Selección del diseño con variaciones con respecto al caso base de serpentín paralelo
- 3 diseños de fabricación aditiva con canales internos: el primero incluye varias alimentaciones de reactante al serpentín paralelo, el segundo tiene una geometría de doble espiral con doble alimentación de reactante y el tercero tiene una geometría de serpentín simple e incluye refrigeración. En la figura 15 se muestran los diseños comentados de fabricación aditiva.
Figura 15: Selección de los diseños con fabricación aditiva.
Este proceso de fabricación está basado en la construcción de piezas mediante la fusión de partículas de polvo metálico sobre un lecho de polvo, capa a capa, mediante un rayo láser de alta energía. La alta densidad de energía aplicada sobre el material y el carácter aditivo del proceso dan lugar a una estructura de material cuasi homogéneo. La aplicación de este tipo de fabricación para placas bipolares representa un avance totalmente novedoso y de altísimo potencial de desarrollo futuro industrial, con poquísimos antecedentes hasta la fecha.
Una vez fabricados los prototipos se ha procedido a la caracterización experimental de los distintos diseños en el banco de ensayos de pilas de combustible, obteniendo las curvas de polarización. Asimismo, se han realizado los ensayos de Espectroscopía de Impedancia Electroquímica y de densidad de corriente superficial. En las figuras 16 y 17 se muestran respectivamente una imagen del banco de ensayos disponible en el laboratorio del equipo de investigación para los tests de los diseños propuestos y el sensor Current Density Mapping (CDM) para la toma de medidas superficiales de tensión y temperatura.
Figura 16: Banco de ensayos para tests de los diseños propuestos
Figura 17: Sensor Current Density Mapping (CDM) para la medida de voltaje y temperatura
Optimización de los diseños y fabricación de los prototipos finales
En base a los resultados obtenidos en los ensayos anteriores, se llevó a cabo una optimización de los diseños basada en nuevas simulaciones CFD y se procedió a la fabricación de los prototipos finales optimizados. En particular, se modificó el prototipo del diseño inspirado en pulmones incluyendo unas inserciones porosas tridimensional para lograr una mejor distribución de los reactantes en los canales. En la figura 18 se muestra el análisis CFD realizado para la optimización del prototipo correspondiente al diseño tridimensional inspirado en pulmones, en el que se han añadido las inserciones porosas.
Figura 18: Análisis CFD para la optimización de los prototipos iniciales
Una vez realizado la optimización de los prototipos se procedió a la fabricación de los mismos, y se muestran en las figuras 19, 20 y 21. Los prototipos finales fabricados son, respectivamente, el diseño tridimensional inspirado en pulmones con inserciones porosas, el diseño con variaciones en las profundidades de los canales con respecto al caso base de serpentín paralelo y los diseños fabricados mediante fabricación aditiva.
Figura 19: Fabricación del diseño final inspirado en pulmones con inserciones porosas 3D
Figura 20: Fabricación del diseño final con variaciones con respecto al caso base de serpentín paralelo
Figura 21: Fabricación de los diseños finales con fabricación aditiva.
Los ensayos experimentales realizados de los diseños finales tridimensionales demostraron el enorme potencial de los prototipos basados en estructuras tridimensionales, obteniéndose mejoras en cuanto a la potencia obtenida por los mismos en comparación con los casos de referencia con una disposición de los canales en paralelo y en serpentín paralelo. En la figura 22 se muestra la comparación de resultados en términos de potencia para el diseño final inspirado en pulmones con inserciones porosas 3D con los casos de referencia.
Figura 22: Comparación de la potencia desarrollada por el diseño final inspirado en pulmones con inserciones porosas 3D con los casos de referencia
Difusión de los resultados obtenidos en el proyecto
Se han realizado diversas actividades de difusión de los resultados obtenidos durante la realización del proyecto, incluyendo aportaciones científicas en congresos internacionales, publicaciones en revistas internacionales y aportaciones a workshops internacionales. Se detallan a continuación:
- Aportaciones científicas en congresos internacionales:
Un total de 4 aportaciones científicas en congresos internacionales de primer nivel (European Fuel Cells and Hydrogen Piero Lunghi Conference – EFC21, 23rd World Hydrogen Energy Conference 2022 – WHEC22 y I Meeting on Electrochemical Energy Conversion and Storage Devices). Ver figura 15.
- 2 comunicaciones orales en el congreso: I Meeting on Electrochemical Energy Conversion and Storage Devices (2021).
- Póster en el congreso: European Fuel Cells and Hydrogen Piero Lunghi Conference – EFC21 (2021).
- Póster en el congreso: 23rd World Hydrogen Energy Conference 2022 – WHEC22 (2022).
Figura 15. Difusión de la investigación. Asistencia a congresos.
- Aportaciones científicas en open access en revistas de alto factor de impacto JCR:
Un total de 4 aportaciones científicas en revistas de alto factor de impacto JCR (ver figura 16):
- Iranzo, A., Navas, S. J., Rosa, F., & Berber, M. R. Determination of time constants of diffusion and electrochemical processes in polymer electrolyte membrane fuel cells. Energy, 221, 119833. 2021. https://doi.org/10.1016/j.energy.2021.119833
- Martín-Alcántara, A., González-Morán, L., Pino, J., Guerra, J., & Iranzo, A. Effect of the gas diffusion layer design on the water management and cell performance of a PEM fuel cell. Processes, 10(7), 1395. 2022. https://doi.org/10.3390/pr10071395
- Iranzo, A., Navas, S. J., Pino, J., Althubiti, N. A., & Berber, M. R. Influence of the dwell time in the polarization hysteresis of polymer electrolyte membrane fuel cells. Electrochimica Acta, 426, 140809. 2022. https://doi.org/10.1016/j.electacta.2022.140809
- Martín-Alcántara, A., Pino, J., & Iranzo, A. New insights into the temperature-water transport-performance relationship in PEM fuel cells. International Journal of Hydrogen Energy. 2023. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2022.12.281
Figura 16. Difusión de la investigación. Publicaciones en revistas científicas de alto factor de impacto.
- 1 aportación científica adicional en Open Access en otra revista internacional sin índice de impacto.
La aportación científica es las siguiente (ver figura 17):
- Iranzo, A., Toharias, B., Suárez, C., Rosa, F., & Pino, J. Dataset and mesh of the CFD numerical model for the modelling and simulation of a PEM fuel cell. Data in Brief, 41, 107987. 2022. https://doi.org/10.1016/j.dib.2022.107987
Figura 17. Difusión de la investigación. Otra publicación en revista científica internacional.
- Aportaciones científicas en workshops internacionales:
Un total de 2 aportaciones en workshops internacionales:
- Comunicación oral en la Jornada de difusión de la Agencia Internacional de la Energía -IEA
- Comunicación oral en la International Conference on the Cooperation and Integration of Industry, Education, Research and Application (Harbin).
Conclusiones del proyecto y líneas futuras de investigación
Los diseños optimizados de placas bipolares tipo PEM basados en estructuras tridimensionales han demostrado tener un enorme potencial. Gracias a estas estructuras tridimensionales se consigue una distribución más uniforme de los reactantes en el área activa de la celda, lo que da lugar a mayores rendimientos en la pila de combustible y la generación de una mayor potencia.
Han resultado especialmente interesantes los diseños elaborados mediante la novedosa técnica de fabricación aditiva Selective Laser Melting (SLM), ya que permiten gran flexibilidad en cuanto a la disposición geométrica de los canales, permitiendo el empleo de una distribución de canales internos embebidos en la propia placa. Esta flexibilidad ha permitido realizar diseños en los que, a diferencia de los diseños más convencionales que cuentan con una única alimentación, se realizan varias entradas de los reactantes en la placa. La alimentación de reactante en distintos puntos resulta ventajosa en comparación con una única entrada, ya que permite obtener una reacción más homogénea en la superficie activa de la placa bipolar.
Por último, se aportan unas posibles continuaciones del presente proyecto o líneas futuras de investigación que se considera que pueden enriquecer o complementar el conocimiento de la temática del proyecto en cuanto al desarrollo y fabricación de diseños novedosos tridimensionales de pilas de combustible tipo PEM:
- Desarrollo de stacks de pilas de combustible tipo PEM con placas bipolares basadas en estructuras tridimensionales. La conexión de múltiples celdas en serie con diseños basados en estructuras tridimensionales por medio de un conductor eléctrico constituyendo un apilamiento o stack permitiría un aumento de la potencia suministrada por el conjunto.
- Optimización de la gestión del agua en los diseños basados en estructuras tridimensionales. La gestión del agua líquida de una pila depende, entre otros factores, de un diseño correcto de los canales de distribución de gas y refrigeración de las placas bipolares. Para ello resulta necesario la utilización de software de simulación por elementos finitos (CFD) y técnicas experimentales como la radiografía de neutrones, que permite ver la distribución del agua líquida dentro de la pila durante su funcionamiento. Una optimización de la gestión del agua líquida en pilas de combustible tipo PEM basada en estructuras tridimensionales permitiría una mejora de su rendimiento y de su vida esperada.
- Empleo de nuevos materiales y procesos de fabricación aditiva como Selective Laser Melting (SLM).
- Incorporación en los diseños de recubrimientos o tratamientos superficiales para mejorar las prestaciones y la durabilidad de la pila de combustible.
