Diseño e implementación de los sistemas electrónicos de control para refrigeración y humidificación por cortocircuitos en una pila PEM de cátodo abierto

El objetivo del trabajo es desarrollar 2 sistemas de control para pilas de combustible de tipo PEM de baja temperatura. El primero consiste en un sistema de suministro de aire y refrigeración mediante ventiladores axiales que proporcionará el caudal necesario para el funcionamiento óptimo de la pila, y mantendrá la temperatura de trabajo en el rango definido por los fabricantes de los sistemas membrana electrodos (MEAs). El segundo sistema consiste en un método de humidificación de las MEAs mediante cortocircuitos periódicos en los bornes de la pila para mejorar el rendimiento y evitar un sistema extra de humidificación de los gases reactantes.<br /

Diseño del sistema de refrigeración de una pila de combustible de tipo PEM de 1 kW

Debido a la actual crisis medioambiental, se han incrementado las investigaciones sobre fuentes de energía renovables alternativas a los combustibles fósiles. Las pilas de combustible de intercambio protónico (PEM) se han convertido en una opción prometedora debido a sus aplicaciones portátiles.Este proyecto presenta el diseño del sistema de refrigeración de una pila PEM de 1kW de potencia. Para seleccionar el sistema de ventiladores óptimo se necesita conocer el caudal de aire que deben impulsar y la perdida de carga que hay que vencer. Por ello, se ha analizado la generación y transferencia de calor en la pila y se ha desarrollado un código computacional 1D para diseñar el sistema de refrigeración a partir de parámetros como el voltaje de celda o la temperatura de refrigeración. Finalmente se han establecido diferentes regímenes de trabajo para los ventiladores en función de la temperatura de la pila y se ha diseñado la pieza de acople a la pila, la cual se fabricará mediante impresión 3D. Además, se ha realizado un experimento de calentamiento de un prototipo a menor escala para comprobar su funcionamiento y validar el código antes de instalar el sistema de refrigeración diseñado en la pila de 1 kW. Para realizar la validación se ha modificado el código de ecuaciones considerando una potencia menor en la pila, lo que modifica el régimen de flujo, por lo que se requieren ecuaciones de transferencia de calor para convección natural en lugar de forzada.Este proyecto se ha realizado en el Laboratorio de Investigación en Fluidodinámica y Tecnologías de la Combustión (LIFTEC), donde se pretende instalar el sistema de refrigeración diseñado y evaluar su rendimiento.<br /

Response to the comments on “Experimental study of the pressure drop in the cathode side of air-forced open-cathode proton exchange membrane fuel cells” by Dejan Brkić

ver: https://digital.csic.es/handle/10261/50719Response to the comments on “Experimental study of the pressure drop in the cathode side of air-forced open-cathode proton exchange membrane fuel cells” by Dejan BrkicPeer reviewe

Diseño, montaje, puesta en marcha y análisis energético de un sistema de generación y almacenamiento de hidrógeno, y su uso en un vehículo eléctrico con pila PEM

El desarrollo de tecnologías que permitan la producción de hidrógeno a partir de energías renovables responde a una necesidad evidente de buscar nuevas alternativas energéticas con bajos niveles de contaminación, así como para aumentar la eficiencia energética y reducir la dependencia de los combustibles fósiles. En el presente proyecto se ha realizado el diseño, el montaje, así como la puesta a punto y otras pruebas operacionales de un sistema compuesto por una estación de generación y almacenamiento de hidrógeno alimentados por el excedente de energía eléctrica fotovoltaica de una instalación agrícola aislada. El hidrógeno generado se emplea en un vehículo eléctrico de baterías, el cual se ha modificado para convertirse en un FC-PHEV basado en una pila de combustible en lugar de un motor de combustión interna. Para su realización, se han seleccionado todos los equipos para la producción, almacenamiento y suministro de hidrógeno, así como el diseño de diversos elementos para su adecuada instalación y control. Una vez concluido el montaje, se han realizado pruebas operacionales y simulaciones para la correcta puesta a punto. Entre ellas están: el acondicionamiento y caracterización experimental de la pila de hidrógeno en el banco de ensayos del LIFTEC, la verificación del sistema de circulación de gases del vehículo, el repostaje de hidrógeno o el análisis del consumo energético del vehículo. Tras la finalización del proyecto se dispondrá de un sistema aislado de generación y almacenamiento de hidrógeno a pequeña escala que permitirá el uso de este gas como alternativa al gasóleo en la propulsión de un vehículo agrícola. Después de una breve introducción en la que se propone al hidrógeno como alternativa energética, se lleva a cabo la descripción y el estado actual de la tecnología de generación de hidrógeno centrada en la electrólisis, su almacenamiento y posterior aplicación en vehículos eléctricos. Así mismo, se expone el estado del arte de las pilas de combustible de tipo PEM. En el tercer capítulo se detalla el dimensionamiento y el diseño de la hidrogenera, definiendo los equipos necesarios para la producción y almacenamiento de hidrógeno. En el cuarto capítulo se describe el diseño y las modificaciones realizadas en el vehículo eléctrico de baterías para que sea propulsado híbridamente con una pila PEM. En el quinto capítulo se encuentran los cálculos y simulaciones realizadas, y para finalizar, en el sexto capítulo se exponen las conclusiones que se desprenden del trabajo realizado y el trabajo futuro a realizar, seguidos de las referencias bibliográficas y de los anexos, donde se puede encontrar información ampliada y detallada

Influence of CrN-coating thickness on the corrosion resistance behavior of aluminium-based bipolar plates.

The electrical and corrosion properties of CrN-coated aluminium alloy Magnal-45 (Al-5083) probes have been evaluated, in order to assess their viability to be used as bipolar plates in polymer electrolyte fuel cells. To this end, ceramic micro-layers of chromium nitride (CrN) with different thicknesses (3, 4. and 5 mu m) have been deposited on the surface of the Al alloy (Al-5083) using the physical vapour deposition (PVD) technique. A decrease in 2 orders of magnitude of I(corr) values for the coated Al has been observed compared to the as-received Al-alloy when the probes have been exposed to simulated anodic conditions in a micro-reactor. On the other hand, when subjected to a cathodic-simulated environment, the Al-CrN probes with 3 mu m and 4 mu m coatings have shown a decrease in I(corr) of one order of magnitude, while a variation of two orders of magnitude has also been obtained for the 5 mu m coating. (C) 2010 Elsevier B.V. All rights reserved.This research has been partially funded by the Spanish Ministry of Science and Innovation under projects CIT-370000-2008-11, ENE2008-06697-C04-01/CON, and ENE2009-14750-C05-02/CON.Peer Reviewe

Experimental study of the pressure drop in the cathode side of air-forced Open-cathode proton exchange membrane fuel cells

An experimental work has been performed in order to study the pressure drop in air-forced open-cathode PEMFC architectures. Measurements have been obtained in an experimental setup specifically designed for the present research. Three different cathode configurations with aspects ratios (wc/h c) from 0.83 to 2.5, as well as different flow conditions have been studied, varying the Reynolds number from 45 to 4000. It has been verified that for the laminar region the pressure drop is proportional to the air velocity. For the present experiments, the boundary between the laminar and the transitional-turbulent region has been established for a Reynolds number of 500. Two different equations have been obtained to estimate the friction factor, f, one for the laminar flow and the other for the transitional-turbulent region. Using these equations, an excellent agreement between measured and predicted friction factors has been achieved for the entire range of experimental conditions (Re,wc,hc) tested in this research. © 2011, Hydrogen Energy Publications, LLC. Published by Elsevier Ltd. All rights.Peer Reviewe

Study of the distribution of air flow in a proton exchange membrane fuel cell stack

The flow of air to feed oxygen to the cathode of each plate in a proton exchange membrane fuel cell (PEMFC) is studied for a 300 W stack in a realistic 3D configuration. Two configurations for gas income are solved, a "U" shape, where both the inlet and outlet of the air collectors are at the same end plate, and a "Z" shape, where inlet and outlet are at opposite sides of the stack. Under a simplified assumption for the flow of oxygen entering the gas diffusion layer of each cell, detailed mass flow and pressure distributions are shown, including the possibility of a turbulent flow inside the main collectors. © 2008 Elsevier B.V. All rights reserved.Peer Reviewe

Comparison of water management between two bipolar plate flow-field geometries in proton exchange membrane fuel cells at low-density current range

This experimental research studies some aspects of water formation and management in polymer electrolyte membrane fuel cells (PEMFCs). To this end, two different single cells of 49 cm2 active area have been tested, the first one with a serpentine-parallel geometry and the second with a cascade-type flow-field topology. In order to visualize the processes, flow-field channels have been machined on transparent plastic. Experiments have consisted in both image acquisition using a CCD camera, and simultaneous measurements of pressure drop in both hydrogen and oxygen gas flow paths. It has been observed that with the cascade-type flow-field geometry, water produced in the cathode does not flood the gas flow channels and, consequently, can be drained in an easy way. On the other hand, it has also been verified that saturated condition for the hydrogen gas flow at the anode side produces water condensation and channel flooding for the serpentine-parallel flow-field topology. Time fluctuations in the pressure drop of the gas flow have been detected and are associated to some transient process inherent to water formation and management. © 2008 Elsevier B.V. All rights reserved.Peer Reviewe

Cr and Zr/Cr nitride CAE-PVD coated aluminium bipolar plates for polymer electrolyte membrane fuel cells.

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Evaluation of the corrosion resistance of Ni(P)Cr coatings for bipolar plates by electrochemical impedance spectroscopy

In the present research, the corrosion resistance of Ni–P and Ni–P–Cr coatings on AA7075-T6 aluminum plates under simulated anodic and cathodic conditions of polymer electrolyte membrane fuel cells (PEMFC) has been studied by electrochemical impedance spectroscopy (EIS). Three Ni–P coatings 20 μm, 30 μm, and 40 μm thick applied by electroless deposition were tested. Besides, a two-layer Ni–P–Cr coating 30 μm thick was also analyzed. It was formed by an inner Ni–P layer, and an outer 10 μm thick chromium one added by electroplating. Corrosion tests were combined with interfacial contact resistance (ICR), roughness, contact angle, and SEM-EDX measurements. The best results were obtained for the 20 μm Ni–P and the two-layer Ni–P–Cr coatings, although the latter showed a high ICR value due to the high electrical resistivity of the chromium oxide surface formed. It was verified that coating degradation occurs when the electrolyte penetrates the micro-cracks and the nodular surface interfaces, reaching the base metal and causing the coating delamination. This behavior is associated with a sharp decrease in the polarization resistance (Rp) of the equivalent circuit model fitted to the EIS results.Authors acknowledge the financial support of the Secretariat of State for Research of the Spanish Ministry of Economy and Competitiveness under project DPI2015-69286-C3-1-R, and the Spanish Ministry of Science, Innovation and Universities under the project RTI2018-096001-B-C31. Support of the Regional Government of Aragon to the Fluid Mechanics for a Clean Energy Research Group (T01_17R) of the LIFTEC is also acknowledged, as well as the technical and human support of the Materials and Surfaces Service provided by SGIker (UPV/EHU/ERDF, EU)