Hidrogenia

El efecto de la presión de sujeción sobre el rendimiento de la pila de combustible

Hay muchos pasos involucrados en la fabricación de una pila de pilas de combustible. Uno de estos pasos es el prensado en caliente de la membrana de electrolito polimérico contra las dos capas de difusión de gas (GDL). Esto crea un conjunto de electrodos de membrana laminada (MEA) de tres capas. Otros pasos implican el mecanizado o grabado de las placas finales, las placas bipolares y las placas de refrigeración, y el dimensionamiento de las juntas, los contactos y los alrededores de MEA. Una vez fabricados todos los componentes de la pila de combustible, se apilan y se sujetan mediante un mecanismo de sujeción, como pernos. La resistencia de contacto, transferencia de masa y carga entre la membrana del electrolito y el GDL es muy buena debido a la fusión de las tres capas. Por el contrario, las capas restantes se separan hasta sujetarlas entre sí mediante pernos o algún otro tipo de dispositivo de sujeción. Por tanto, las resistencias interfaciales entre las capas restantes son significativas. Las placas de contacto, de enfriamiento y bipolares se sujetan entre sí, y dado que las capas de enfriamiento y de contacto son similares y la rugosidad de la superficie puede considerarse insignificante, la resistencia de contacto entre estas capas es pequeña cuando la pila se sujeta entre sí. La interfaz que se ve más afectada por la presión de sujeción es la interfaz GDL y la placa bipolar. Las propiedades materiales de estas capas contiguas son extremadamente diferentes y, dado que la capa GDL es porosa, es muy sensible a la presión de apriete. No sólo el espesor del GDL cambia con la presión de sujeción, sino que el cambio de espesor también afecta la porosidad y la permeabilidad del GDL. El par de torsión del perno, la fuerza de sujeción, la resistencia de contacto y la permeabilidad del GDL afectan el rendimiento electroquímico de una pila de combustible PEM al influir en las polarizaciones óhmicas y de transporte de masa dentro de la pila de combustible.

 

La mecánica de las uniones atornilladas
Los materiales atornillados entre sí resisten cargas de momento sujetando las superficies entre sí, donde el borde de la pieza actúa como punto de apoyo y el perno actúa como una fuerza para resistir el momento creado por una fuerza o momento externo. La Figura 1 muestra las fuerzas ejercidas por los materiales sujetos (capas de celda de combustible) sobre un perno y una tuerca de sujeción. Las fuerzas ejercidas por los pernos de apriete se deben a las propiedades del material del perno, a las propiedades de los materiales que se sujetan entre sí y al torque aplicado a los pernos.
Figura 1. Las fuerzas ejercidas por los materiales sujetos (capas de celda de combustible) sobre el perno y la tuerca.
Los materiales que se mantienen unidos mediante un perno están sujetos a una fuerza a una distancia del centro de rigidez de un patrón de pernos. Para determinar el par óptimo para un perno, se puede calcular la fuerza máxima del perno en función de la cantidad máxima de tensión y fuerza que se puede aplicar al perno y a la «unión», que en este caso es la pila de pilas de combustible. El par óptimo se puede encontrar calculando la fuerza que se puede aplicar a la articulación hasta que se pierda la fuerza sobre la articulación. Suponiendo que cada uno de los N pernos está a una distancia del centro de rigidez del patrón de pernos, cada perno tiene la misma fuerza y ​​hay un coeficiente de fricción entre los miembros atornillados.
Apretar los pernos estira los pernos y comprime los materiales de la pila. Si se aplica una fuerza externa a la pila, el par óptimo generalmente significa que la pila permanece comprimida. Esto garantiza una rigidez adecuada y una vida útil a la fatiga de la pila. La Figura 2 muestra cómo la región debajo de la cabeza de un perno actúa como un resorte.
Figura 2. Las fuerzas ejercidas por los materiales sujetos y el perno.
De la energía creada por la fuerza del perno, aproximadamente el 50% de la energía se destina a la fricción debajo de la cabeza del perno, el 40% se destina a la fricción en las roscas y aproximadamente el 10% se destina a crear tensión en las roscas. La rotación de la cabeza del perno en relación con las piezas que se atornillan es una buena medida de la tensión en el perno. Como se muestra en la Figura 3, hay un cono de deformación o tensión debajo de la cabeza del perno que se proyecta de 30 a 45 grados desde la vertical, y 45º se usa más comúnmente para los cálculos de torque del perno.
Figura 3. Zonas de rigidez a la compresión debajo de la cabeza de un perno en una pila de celdas de combustible.
Al determinar el diseño de una pila de pilas de combustible y el par de apriete óptimo, es necesario responder dos preguntas:

 

1. ¿Cuánta tensión crea realmente el perno?
2. ¿Cuál es la estanqueidad ideal?

 

En la ciencia de los pernos, el par óptimo se puede encontrar calculando las fuerzas que el perno puede soportar, junto con la rigidez de los materiales que se sujetan y la estanqueidad deseada que requieren los materiales sujetos. En una pila de pilas de combustible, el material del perno puede soportar más fuerza de la que la pila de combustible necesita para un rendimiento óptimo. Por lo tanto, para encontrar el par ideal para una pila de pilas de combustible, se deben considerar los efectos de la compresión.

 

Resistencia de contacto y permeabilidad del GDL
La resistencia de contacto y la permeabilidad de GDL se rigen por las propiedades del material de las capas de placa bipolar y GDL en contacto. La resistencia de contacto depende más del contacto entre estas capas. La resistencia de contacto entre las capas de catalizador y membrana es baja porque están fusionadas entre sí, y la resistencia de contacto entre las placas bipolares y otras capas es baja porque los materiales normalmente no son porosos con propiedades materiales similares (alta densidad, con propiedades de Poisson similares). ratios y módulos de Young). Las capas GDL y de placa bipolar tienen varias características que hacen que la resistencia de contacto y la permeabilidad sean mayores que entre las otras capas:

 

1. Las propiedades de los materiales son muy diferentes (proporciones de Poisson y módulos de Young) – (un material duro con un material blando)
2. La capa de GDL es porosa y la permeabilidad se ha reducido debido a la reducción del volumen de poros o la porosidad, y
3. Parte de la capa de GDL bloquea los canales de flujo que se encuentran en la placa bipolar creando menos permeabilidad a través del GDL a medida que aumenta la compresión.

 

Como se muestra en la Figura 4, tanto la conductividad en el plano como la conductividad a través del plano aumentan a medida que disminuye el espesor comprimido del GDL. Las conductividades dependen linealmente del espesor comprimido del GDL. Esto puede deberse a la porosidad reducida del GDL, lo que conduce a distancias más cortas entre las fibras de carbono conductoras y mejores contactos entre las fibras.
Figura 4. Conductividad y permeabilidad en función del espesor comprimido del GDL.
La rigidez de las uniones atornilladas
Para determinar con precisión la presión de sujeción ideal (par de apriete) para una pila de pilas de combustible, se puede estimar la rigidez de los materiales entre los pernos. La rigidez de los materiales incluye la rigidez a la compresión de los materiales debajo de la cabeza del perno en serie con la rigidez de la interfaz física, que aumenta con la presión, y la rigidez del material roscado. Algunas de las dimensiones que se pueden utilizar en los cálculos de rigidez de pernos y capas se muestran en la Figura 5.
Figura 5. Dimensiones utilizadas en los cálculos de rigidez de pernos y capas.
Rendimiento electroquímico de pilas de pilas de combustible PEM con presión de sujeción
La Figura 6 muestra las curvas de polarización reales de una celda de combustible PEM bajo cinco presiones de sujeción diferentes. La corriente es dinámicamente estable para cuatro de las cinco presiones de sujeción. La presión de sujeción más baja de 28 oz-in mostró el peor rendimiento I-V, debido a las limitaciones de transferencia de masa y la mayor resistencia de contacto. Las curvas de polarización aumentan continuamente hasta alcanzar un par de 36 oz-in. A medida que el par continúa aumentando a 44 oz-in, las curvas de polarización nuevamente comienzan a disminuir.
Figura 6. Curvas de polarización con pares de apriete de 28 oz-in a 44 oz-in para una pila de celda de combustible.
La Figura 7 muestra las curvas de rendimiento de otra pila de pilas de combustible con cinco presiones de sujeción diferentes. Nuevamente, las curvas de polarización reflejan el efecto de la resistencia eléctrica interfacial, la transferencia de masa y la presión de sujeción óptima en la pila de celda de combustible. Como se ve en la Figura 7, el rendimiento de la pila de combustible parece ser peor con la presión de sujeción de 6 onzas. La compresión con un torque de 10 oz-in muestra la mejor curva de rendimiento. A medida que el torque aumentó de 10 a 14 oz-in, el rendimiento de la celda de combustible disminuyó ya que la transferencia de masa se ve obstaculizada debido a la disminución de la porosidad de la capa de GDL.
Figura 7. Curvas de polarización con pares de apriete de 6 oz-in a 14 oz-in para una pila de celda de combustible.
Como se muestra en la Figura 8, el caso de compresión de 4 oz-in mostró la mejor curva de polarización. Al igual que con las curvas de polarización anteriores para las otras pilas de pilas de combustible, el par más bajo mostró una curva de polarización pobre en comparación con la curva de polarización obtenida con el par óptimo. Parece difícil lograr más de 40 mA cm-2 de densidad de corriente con una compresión de 6 oz-in debido a la limitación de transferencia de masa.
Figura 8. Curvas de polarización con pares de apriete de 1 oz-in a 6 oz-in para una pila de celda de combustible.
Conclusión
El par se utiliza como un medio indirecto para medir la presión de sujeción de la pila, lo que tiene un efecto directo en el rendimiento de la pila de combustible. Examinamos experimentalmente el efecto de la presión de sujeción sobre las propiedades electrofísicas en tres pilas de pilas de combustible PEM de convección libre diferentes. A medida que cambiaba la rigidez del material de la pila, el material de los pernos o la compresión del GDL, la curva de polarización de la pila de combustible resultante cambiaba. Vemos que un par de apriete bajo da como resultado una alta resistencia interfacial entre la placa bipolar y la capa de difusión de gas que reduce el rendimiento electroquímico de una pila de combustible PEM. Por el contrario, un par de apriete elevado reduce la resistencia de contacto entre la placa de grafito y la capa de difusión de gas, pero estrecha el camino de difusión para la transferencia de masa desde los canales de gas a las capas de catalizador. Vemos en nuestros experimentos que el equilibrio correcto del par de apriete para una determinada pila y rigidez de perno, combinado con una resistencia de contacto mínima y limitaciones de transferencia de masa dentro de una pila de celda de combustible, puede conducir a un rendimiento óptimo de la celda de combustible.
Publicado por la Dra. Colleen Spiegel
La Dra. Colleen Spiegel es consultora en redacción técnica y modelos matemáticos (presidenta de SEMSCIO) y profesora con un doctorado. y una maestría en Ingeniería. Tiene diecisiete años de experiencia en ingeniería, estadística, ciencia de datos, investigación y redacción técnica para muchas empresas como consultora, empleada y propietaria de un negocio independiente. Es autora de «Diseño y construcción de pilas de combustible» (McGraw-Hill, 2007) y «Modelado y simulación de pilas de combustible PEM utilizando MATLAB» (Elsevier Science, 2008). Anteriormente fue propietaria de Clean Fuel Cell Energy, LLC, que era una organización de pilas de combustible que prestaba servicios a científicos, ingenieros y profesores de todo el mundo.