Análisis experimental del exceso de aire alimentado en pilas de combustible tipo PEM y optimización de la potencia eléctrica generada

El texto presentado no puede ocupar más de una línea Trabajo Fin de Grado Grado en Ingeniería de Tecnologías Industriales Análisis experimental del exceso de aire alimentado en pilas de combustible tipo PEM y optimización de la potencia eléctrica generada. Dpto. Ingeniería Energética Escuela Técnica Superior de Ingeniería Universidad de Sevilla Sevilla, 20 20 Autor: María Del Rosario Vélez García Tutor: José Julio Guerra Macho Co-tutor: José Alfredo Iranzo Paricio Trabajo Fin de Grado Grado en Ingeniería de Tecnologías Industriales Análisis experimental del exceso de aire alimentado en pilas de combustible tipo PEM y optimización de la potencia eléctrica generada. Autor: María Del Rosario Vélez García Tutor: José Julio Guerra Macho Co-tutor: José Alfredo Iranzo Paricio Dpto. de Ingeniería Energética Escuela Técnica Superior de Ingeniería Universidad de Sevilla Sevilla, 2020 Trabajo Fin de Grado: Análisis experimental del exceso de aire alimentado en pilas de combustible tipo PEM y optimización de la potencia eléctrica generada. Autor: María Del Rosario Vélez García Tutor: Co-tutor: José Julio Guerra Macho José Alfredo Iranzo Paricio El tribunal nombrado para juzgar el Proyecto arriba indicado, compuesto por los siguientes miembros: Presidente: Vocales: Secretario: Acuerdan otorgarle la calificación de: Sevilla, 2020 El Secretario del Tribunal “- ¿Y qué se quemará en vez de carbón? - ¡Agua! - respondió Ciro Smith […] -Sí amigo mío-repuso Ciro Smith-agua descompuesta sin duda por la electricidad y que llegará a ser entonces una fuerza poderosa y manejable. […] Creo que el agua se usará un día como combustible, que el hidrógeno y el oxígeno que la constituyen, utilizados aislada y simultáneamente, producirán una fuente de calor y de luz inagotable y de una intensidad mucho mayor que la de la hulla. […] Creo que, cuando estén agotados ya los yacimientos de hulla se producirá calor con agua. El agua es el carbón del porvenir.” Julio Verne. (1875). La isla misteriosa. A Blanca y Andrea por su apoyo, y a Alfredo y a mi padre, por su disponibilidad y paciencia cuando todo parecían dificultades. Gráfica 4: Curva de polarización de la primera repetición del ensayo con una estequiometría del cátodo 1.5. 50 Gráfica 5:Curva de polarización de la segunda repetición del ensayo con una estequiometría del cátodo 1.5 50 Gráfica 6: Curva de polarización de la tercera repetición del ensayo con una estequiometría del cátodo 1.5 51 Gráfica 7: Curva de polarización del ensayo con estequiometria del cátodo 1.5 51 Gráfica 8: Potencia frente a densidad de corriente del ensayo con estequiometria del cátodo 1.5 53 Gráfica 9: Eficiencia del ensayo con estequiometria del cátodo 1.5 53 Gráfica 10: Potencia demanda por un compresor para el ensayo con estequiometria del cátodo 1.5. 54 Gráfica 11: Potencia útil ensayo con estequiometría del cátodo 1.5 55 Gráfica 12:Curva de polarización del ensayo con estequiometria del cátodo 2.0 56 Gráfica 13: Potencia frente a densidad de corriente del ensayo con estequiometria del cátodo 2. 58 Gráfica 14: Eficiencia ensayo estequiometría del cátodo 2.0. 58 Gráfica 15: Potencia del compresor del ensayo con estequiometría del cátodo 2.0 59 Gráfica 16: Potencia útil del ensayo con estequiometría del cátodo 2.0 59 Gráfica 17: Curva de polarización del ensayo con estequiometría del cátodo 3.5 61 Gráfica 18: Potencia de la pila de combustible frente a densidad de corriente en el ensayo con estequiometría del cátodo 3.5. 63 Gráfica 19: Eficiencia del ensayo con estequiometría del cátodo 3.5 63 Gráfica 20: Potencia del compresor para el ensayo con estequiometria del cátodo 3.5 64 Gráfica 21: Potencia útil de la pila de combustible del ensayo con estequiometría del cátodo 3.5 64 Gráfica 22: Curva de polarización del ensayo con estequiometria del cátodo 1.3. 66 Gráfica 23: Potencia de la pila de combustible frente a densidad de corriente en el ensayo con estequiometría del cátodo 1.3. 67 Gráfica 24: Eficiencia del ensayo con estequiometría del cátodo 1.3. 68 Gráfica 25: Potencia del compresor del ensayo con estequiometría del cátodo 1.3 68 Gráfica 26: Potencia útil del ensayo con estequiometría del cátodo 1.3. 69 Gráfica 27: Curvas de polarización de los cuatro ensayos. 71 Gráfica 28: Curvas de potencia de los cuatro ensayos. 72 Gráfica 29: Curvas de eficiencia de los cuatro ensayos 73 Gráfica 30: Potencia demandada por el compresor en los cuatro ensayos 74 Gráfica 31: Potencias útiles de los tres ensayos frente a densidad de corriente. 75 Tabla 1: Resumen tipo de pilas de combustible 32 Tabla 2: Principales especificaciones de la carga electrónica integrada en el banco de ensayos[15] 41 Tabla 3:Condiciones de Referencia 45 Tabla 4:Puntos del ensayo 46 Tabla 5: Valores ensayo estequiometria del cátodo 1.5 52 Tabla 6: Valores de potencia (W) y eficiencia (%) del ensayo con estequiometría del cátodo 1.5 55 Tabla 7: Valores de voltaje e intensidad de corriente del ensayo estequiometría del cátodo 2.0 57 Tabla 8: Valores de potencia (W) y eficiencia (%) del ensayo con estequiometría del cátodo 2.0 60 Tabla 9: Valores de Voltaje e intensidad del ensayo con estequiometría del cátodo 3.5. 62 Tabla 10: Valores de potencia (W) y eficiencia (%) del ensayo con estequiometría del cátodo 3.5. 65 Tabla 11: Valores de densidad de corriente y voltaje del ensayo con estequiometría del cátodo 1.3 67 Tabla 12: Valores de potencia (W) y eficiencia (%) del ensayo con estequiometría del cátodo 1.3. 70 INTRODUCCIÓN Y OBJETIVOS Esta memoria presenta un estudio experimental del exceso de aire alimentado en pilas de combustible tipo PEM y optimización de la potencia eléctrica neta generada. El trabajo consta de dos partes, una primera parte teórica e introductoria sobre aspectos generales de la pila de combustible y el hidrógeno y un segundo bloque que representa el desarrollo del trabajo experimental en laboratorio y análisis de resultados. En el segundo bloque, a partir de cuatro ensayos experimentales de una celda de hidrogeno tipo PEM en un banco de ensayos, se estudia la estequiometria del cátodo en la celda de combustible. Se analiza cual es la estequiometria óptima para una celda de combustible de 50 cm2, las consecuencias en las prestaciones de la pila y la influencia del exceso de aire en la potencia. A su vez, se analiza la potencia eléctrica generada teniendo en cuenta la potencia parasita del compresor de la pila. Los objetivos de este trabajo son ampliar conocimientos sobre la pila de combustible y su funcionamiento, así como analizar mediante un estudio experimental la importancia de optimizar la estequiometría del cátodo. BLOQUE 1: ESTUDIO DE LAS PILAS DE COMBUSTIBLE Y EL HIDRÓGENO COMO VECTOR DE ENERGÍA. 1. INTRODUCCIÓN Una pila de combustible genera electricidad a partir de una reacción electroquímica. Al igual que una batería transforma la energía potencial química en energía eléctrica y a su vez, como subproducto de este proceso, en energía térmica. Mientras que una batería posee un depósito cerrado y limitado de energía y, una vez esta se agota, la batería debe desecharse o recargarse utilizando un suministro externo de electricidad para impulsar la reacción electroquímica en la dirección inversa; una pila de combustible utiliza otro mecanismo. Una pila de combustible utiliza un suministro externo de energía química y puede funcionar indefinidamente, siempre que se le suministre una fuente de hidrógeno y una fuente de oxígeno (generalmente aire). En la ilustración número 1 se aprecia el funcionamiento de una pila de hidrógeno. La fuente de hidrógeno ordinariamente se conoce como el combustible y esto le da a la celda de combustible su nombre, aunque no hay combustión implicada. La oxidación del hidrógeno tiene lugar electroquímicamente de una manera muy eficiente. Durante la oxidación, los protones de hidrógeno reaccionan con los átomos de oxígeno para formar agua; En el proceso, los electrones se liberan y fluyen a través de un circuito externo como corriente eléctrica. Existen celdas de combustibles pequeñas y grandes plantas de energía según la potencia eléctrica en vatios que generen, aunque todas se basan en un mismo concepto y un mismo diseño básico, un diseño central que utiliza dos electrodos separados por un electrolito sólido o líquido que transporta partículas cargadas eléctricamente entre ellos. Se usa un catalizador para activar las reacciones en los electrodos. Los tipos de celdas de combustible generalmente se clasifican de acuerdo con la naturaleza del electrolito que usan. Cada una de ellas demanda materiales y combustibles particulares y es apropiado para distintas aplicaciones. Ilustración 1: Esquema del funcionamiento de una pila de combustible.[1] 2. ANTECEDENTES 3. ANTECEDENTES Ilustración 2: Principales hitos históricos en el desarrollo de las pilas de combustible 2019 Superación de 1GW de potencia vendida en pilas de combustible. 2014 Hyundai registró el primer récord de autonomía para un coche de hidrógeno al recorrer 700 kms con una sola carga. 2014 Toyoya España matricula la primera unidad de Toyota Mirai, vehiculo de pila de combustible 2013 Se presenta una pila de combustible que podría representar la transición a las pilas asequibles 2009 Panasonic fue la primera empresa en el mundo en vender la pila de combustible para uso doméstico 2008 Honda comienza a arrendar el vehiculo eléctrico FCX Clarity Fuel Cell 2007 Las celdas de combustible comienzan a venderse para aplicaciones comerciales o auxiliares Década de 1990 Se desarrollan grandes celdas estacionarias para aplicaciones comerciales e industriales Década de 1980 La Marina de EEUU usa celdas de cumbustible en submarinos Década de1970 La crisis del petróleo impulsa el desarrollo de nuevas tecnologías Década de 1960 La NASA utiliza por primera vez pilas de combustible en misiones espaciales 1959 Francis Bacon demuestra una celda de combustible alcalina de 5KW Década de 1950 General Electric inventa la celda de combustible de membrana de intercambio de protones 1889 Charles Langer and Ludwig Mond desarrollaron el invento de William Grove 1839: William Grove inventó la primera pila de combustible llamada “gas battery” 1801 Humphry davy estableció los principios de la pila de combustible. Aunque parezca algo muy reciente, la historia de las pilas de combustible comenzó hace dos siglos, como se observa en la ilustración número 2. Hoy en día, se continúa con el empleo de estas células en diversas aplicaciones, tanto portátiles (ejemplo: teléfonos móviles) como estacionarias (ejemplo: generación de energía para edificios), así como en diversos medios de transporte (desde submarinos hasta vehículos particulares). Sin embargo, su desarrollo ha atravesado periodos de olvido, debido a las numerosas dificultades técnicas que presentan en comparación con otros métodos de obtención de electricidad. El interés por las células de combustible, y por tanto su desarrollo, se ha dado en periodos de escasez de recursos energéticos, por ejemplo, la crisis del petróleo de 1973 que precipita el desarrollo de tecnologías alternativas de energía, incluyendo las células de combustible. Esto se debe a que estas células, comparadas con otros dispositivos, tienen mayor eficiencia energética y por tanto necesitan menos combustible para producir la misma energía. 3. ASPECTOS GENERALES DE UNA PILA DE COMBUSTIBLE. Las pilas de combustible transforman energía química en eléctrica en un solo paso evitando el paso de conversión a energía térmica que se da en una máquina térmica convencional. Con el uso de pilas de combustible se consigue una eficiencia energética de al menos entre 30% y 40%, pudiéndose alargar hasta un 80% en el caso de cogeneración. Son eco amigables, debido a que el gas que emiten al ambiente es vapor de agua a diferencia de las emisiones que producen las energías basadas en combustibles fósiles. Algunos tipos como las de membrana polimérica son capaces de utilizar hidrogeno como combustible, y las que usan combustibles tradicionales lo realizan con un menor impacto medioambiental. Esto se debe a que su funcionamiento es electroquímico con la finalidad de conseguir que se consiga la generación de electricidad sin emisiones contaminantes. Las pilas de combustible cuentan con varios intervalos de potencia y altas densidades energéticas, debido a su carácter modular. Pueden adaptarse en función de las prestaciones requeridas, aumentando o disminuyendo el número de celdas. Son silenciosas gracias a que carecen de partes móviles lo que hace que sean optimas para ser ubicadas en diferentes emplazamientos con mínimas restricciones. La ausencia de contaminación acústica favorece a una instalación cerca de áreas urbanas residenciales, incluso en el interior de la propia vivienda. A su vez, reaccionan rápidamente ante la variación de carga y es por esto que es un tema de estudio en auge en cuanto a la industria automotriz. Desde otro ángulo, las pilas de combustible son altamente costosas comparadas con las centrales de generación de energía tradicionales. El uso de hidrogeno, usado en la mayoría de casos, puede representar un inconveniente debido a que su almacenamiento y distribución es todavía difícil en la actualidad. Y se suma así un coste adicional de combustible. Debido a su alto coste, la demanda actual es baja, por lo que se siguen utilizando fuentes de generación de energía tradicionales. Los desarrollos y planes actuales encaminados a la transición energética y una Europa descarbonizada en 2050, indican que la infraestructura y tecnologías del hidrógeno van a desarrollarse de una forma muy relevante en las próximas décadas como se comenta en apartados posteriores de este mismo trabajo e indica el Hydrogen roadmap Europe Report [2]. 4. EL HIDRÓGENO COMO VECTOR DE ENERGÍA El hidrógeno puede desempeñar un papel significativo como disyuntiva a los combustibles y fuentes de electricidad actuales para una fuerte producción de energía. Una economía apoyada en hidrógeno podría emplearse para su uso en edificios o para automóviles, lo que solicitará almacenamiento de hidrógeno in situ o a bordo , respectivamente. Por estas razones, el estudio del hidrógeno se convierte en un tema interesante tanto desde el punto de vista básico como tecnológico.[3] El hidrogeno será clave para contribuir a la gestionabilidad de las energías renovables. La región se ha comprometido a la transición de un régimen energético más respetuoso con el clima. Su fin es eliminar aproximadamente 2.800 megatones (Mt) de emisiones de dióxido de carbono (CO2) para 2050 [2]; una cantidad igual al 78% de las emisiones de CO2 de 2014. Los compromisos actuales relacionados con la energía y el clima de los países europeos, adjuntando las contribuciones nacionales en virtud del Acuerdo de París y los progresos en la eficiencia energética deberían reducir aproximadamente 1.700 Mt de emisiones de CO2. Eliminar los otros 1.100 Mt de emisiones de CO2 requeriría de trabajo añadido más allá de los planes actuales. El hidrógeno desempeñará un papel importante e indudable. El éxito de esta transformación no solo podría reducir las emisiones de carbono, asimismo podría inducir a una competitividad industrial superior en la región, reducir los costos de energía y optimizar la vida de los ciudadanos a medida que progresa la calidad del aire. La transición podría aumentar el crecimiento general del PIB de la UE en un 40% debido a la mayor productividad industrial y al aumento de la demanda de energía. [2] Este combustible, el hidrógeno, fue reconocido como elemento químico en 1776 por el científico británico Henry Cavendish. Es un gas diatómico a temperatura ambiente, el más ligero que existe. Se trata de un elemento químico incoloro, inodoro, de tipo gaseoso y no metálico,.[4] 4.1. VENTAJAS Y DESVENTAJAS DEL HIDRÓGENO FRENTE A OTROS COMBUSTIBLES Ventajas 1. El valor calórico y la cantidad de energía por unidad de masa del hidrógeno es mayor que el de cualquier otro combustible. Contiene 120 MJ/Kg mientras que la gasolina contiene 51 MJ/Kg. [5] 2. Al reaccionar con el oxígeno puede producir electricidad mediante un proceso electroquímico que sobrepasa la eficiencia del ciclo de Carnot por tratarse de un proceso químico y no termodinámico como el que usan los motores de combustión. Este proceso sucedería en la celda o pila de hidrógeno y la electricidad producida alimentaría un motor eléctrico. El único residuo de este proceso es H2O, 3. Es un vector de energía respetuoso con el medio ambiente, por ende, no produce contaminación ni consume recursos naturales si se genera a partir de la hidrólisis del agua. En un electrolizador el hidrogeno se genera del agua y posteriormente se oxida en la pila de combustible y se devuelve a ella. No produce dióxido de carbono ni óxidos de azufre. A la inversa de los combustibles fósiles, a los que pretende sustituir.[4] 5. En funcionamiento normal, la celda de combustible es casi totalmente silenciosa, y tienen una vida elocuentemente más larga que las maquinas que reemplazan. Desventajas 1. El hidrógeno tiene una energía muy baja por unidad de volumen, lo que repercute en ciertos problemas de almacenamiento, ya sea como gas o como líquido, debido precisamente a su baja densidad. 2. Para licuar o comprimir el hidrógeno se necesita invertir mucha energía. 3. A día de hoy los costos son altos si hablamos de producción de hidrogeno y especialmente si se trata de hidrogeno renovable. La producción con energía fotovoltaica o eólica mediante catalizadores es costosa. [5] 4.2. PRODUCCIÓN DE HIDRÓGENO La demanda mundial de hidrógeno es de 70 millones de toneladas anuales. La gran mayoría (95%) del hidrógeno actual se produce a partir de hidrocarburos, a saber, gas natural y carbón. Como resultado, su producción es una fuente abundante de emisiones de dióxido de carbono (CO2). En 2017, la producción mundial de hidrógeno representó más emisiones anuales de CO2 que las de toda Alemania o la industria naviera mundial. Sin embargo, no todo el hidrógeno se crea igual. El último informe de Wood Mackenzie[6] examina el ‘hidrógeno verde’, que es producido con energía eólica y solar a través de la electrólisis, dividiendo las moléculas de agua en átomos de hidrógeno y oxígeno. Producido sin hidrocarburos, puede reducir considerablemente las emisiones de una nación o empresa.[7] En este apartado destacaremos los métodos más utilizados para la obtención de hidrogeno, en primer lugar, hablaremos de los métodos convencionales. Entre los cuales destacan el reformado de gas natural, por tanto, es necesario disponer de gas natural, que no es una fuente renovable, y aplicar la electrólisis, que emplea energía eléctrica procedente de otras fuentes de energía. REFORMADO Es el procedimiento más usado actualmente, simbolizando aproximadamente el 95% de la producción anual. En este proceso el metano, a partir de gas natural, reacciona con vapor de agua (reformado con vapor de agua) o con oxígeno (reformado por oxidación parcial) o mediante una combinación de ambos (reformado autotérmico). En cualquiera de estos procesos el CO2 florece como uno de sus subproductos. [8] Por lo general se usa gas natural puesto que está compuesto mayoritariamente por metano (CH4), ergo tiene una relación entre el número de átomos de carbono e hidrógeno suficiente elevada. Sin embargo, el gas natural contiene impurezas de azufre que son necesarias filtrar antes de hacerlo pasar por el reformador, del que obtendremos el gas hidrógeno. Del mismo modo, los productos de este método de obtención del hidrógeno no sólo son hidrógeno, por lo que se necesita flitrar también los subproductos a la salida. Hablamos de una reacción endotérmica, que opera en unas temperaturas entre 700ºC y 850ºC y presiones de 3 a 25 bar. CH4 + H2O+ CALOR  CO + 3H2 El CO resultante de la reacción se le hace pasar, normalmente, por otro reformador donde reacciona con agua y asi obtener una producción adicional de hidrogeno. CO + H2O  CO2 + H2 Como se dijo anteriormente, de esta reacción no sólo se obtiene hidrógeno, sino que también obtenemos CO2, por lo que se hace necesario purificar los productos de esta reacción para obtener sólo el hidrógeno, que es el producto de interés. Si se tienen otros hidrocarburos gaseosos mezclados con el metano en el gas natural (etano, propano, butano, etc.), se separan y se hacen pasar por una etapa previa de prereformado, en el que se convierten en una mezcla de CO y H2 que ya puede ser sumada al metano. Asimismo, se avala que lo que entra al reformador persistentemente sea metano, CO y H2, lo que merma los residuos de carbono que se alcanzan al final. ELECTRÓLISIS DEL AGUA. Proceso en el que se usa la corriente eléctrica para romper la molécula de agua y disociar el hidrógeno y el oxígeno que contiene; se estima que aproximadamente el 5% de la producción mundial se obtiene mediante este método. Para ello se aplica una corriente eléctrica continua, por una fuente de alimentación, una batería o una pila, que se vincula mediante electrodos al agua. Para reducir la resistencia al paso de corriente a través del agua esta se suele acidular añadiendo pequeñas alícuotas de ácido sulfúrico o bien añadiendo un electrolito fuerte como el hidróxido de sodio, NaOH. El electrodo positivo será el ánodo y el electrodo negativo será el cátodo. Esto provoca que los aniones se desplacen hacia el ánodo y los cationes se desplacen hacia el catado, quedando así separados. A la electrólisis del agua también se la conoce como hidrólisis. Las reacciones que tienen lugar en los electrodos son: Reducción en el cátodo: 2H+ + 2e-  H2 Oxidación en el ánodo: 2H2O O2 + 4H+ + 4e- La energía necesaria para separar los iones que forman el compuesto es aportada por la fuente de alimentación y es del orden de 1,8 × 107J por cada metro cúbico de hidrógeno producido, lo que lo hace el doble de caro que el método consistente en la reforma de gas natural. El que sea más caro hace que sólo se use para aplicaciones que no requieren gran cantidad de hidrógeno, ya que es un método sencillo y para el que no hace falta tener grandes instalaciones. Entre las técnicas de obtención de hidrogeno basadas en recursos renovables destacaremos tres. La más importante se trata del hidrógeno obtenido a través de la electrólisis del agua. Para este proceso se requiere electricidad, por lo que, si se utiliza la generación de una fuente renovable, se habrá obtenido hidrógeno sin emisiones en el proceso. Con la disminución de los costes de la electricidad renovable, en particular de la energía solar fotovoltaica y la eólica, el interés por el hidrógeno verde está creciendo y se han realizado varios proyectos de demostración en los últimos años. Sin embargo, el desafío no es pequeño. A continuación, se destacarán otras dos: La producción de hidrógeno a partir de biomasa y la producción de hidrógeno mediante sistemas biológicos, por considerarlos los métodos que mayor proyección de futuro tienen y los más interesantes de explicar.[10] BIOMASA CELULÓSICA. Para adquirir H2 a partir de la biomasa celulósica, uno de los métodos más utilizados radica en la gasificación de la biomasa. que permite obtener gas de síntesis (CO + H2) mediante calefacción controlada del residuo a temperaturas de 800 – 1000ºC en atmósfera Ilustración 3. Electrólisis del agua [9] de O2 o vapor de agua. La gasificación de la biomasa es un conjunto de reacciones termoquímicas que se originan en una atmósfera pobre en oxígeno y que tiene como finalidad transformar el sólido inicial (biomasa) en un conjunto de gases que nos servirán para obtener hidrógeno a partir de ellos, como pueden ser H2, CO, CO2 y CH4. Los gases obtenidos, excepto el hidrógeno, se hacen pasar por un reformador de los que se usaban en el método de reformado del metano. Aparte de los gases también se obtiene alquitrán y cenizas, que no son servibles para obtener hidrógeno. La gasificación de la biomasa genera residuos (cenizas). La cantidad de residuos forjada se puede mermar mediante el uso de catalizadores de forma que interfieran lo menos posible en la creación de hidrógeno. BIOFOTÓLISIS DEL AGUA Este método reside en la producción de hidrógeno a partir de microorganismos fotosintéticos. Estos microorganismos son idóneos de separar el agua en sus componentes, generando H2 y O2. Esta técnica tiene una eficacia de conversión muy baja por el momento, pero se espera que nuevas investigaciones en el campo de la biotecnología sean capaces de aumentar esta eficiencia y hacer competitiva esta industria, ya que la producción de hidrógeno a partir de microorganismos vivos es uno de los desafíos más importantes de la biotecnología en relación con los problemas ambientales. Por ahora, coexisten diferentes microorganismos que generan hidrógeno cuando están sometidos a unos ciertos escenarios. Por ejemplo, el alga verde Scenedesmus produce H2 tanto al ser iluminada por luz visible como en ausencia de luz cuando está sometida a condiciones anaerobias. En resumen, destacar que el procedimiento de producción elegido depende principalmente del precio del proceso, así como de la cantidad de hidrógeno que se pretenda obtener. Actualmente el más usado es el de reforma del metano, pero poco a poco se están incorporando nuevas técnicas apoyadas en recursos renovables que supondrían dejar de depender íntegramente de fuentes de energía no renovables. 4.3. ALMACENAMIENTO DE HIDRÓGENO Una vez obtenido hidrógeno con alguno de los métodos descritos en el apartado anterior (u algún otro), es necesario almacenarlo en alguna parte para poder trasladarlo y hacer uso de él cuando haya una petición de energía. El hidrógeno puede almacenarse de forma relativamente fácil al contrario que la electricidad. En el caso de las energías renovables es incluso peor, ya que con las energías renovables o “in situ” no se puede escoger cuánta electricidad se genera en cada momento ya que dependen de los escenarios climáticos. Para el caso de aplicaciones estacionarias el almacenamiento de hidrógeno no es un gran problema, ya que se pueden instalar depósitos tan grandes como se desee o incluso producir el hidrógeno necesario in situ, ya que a priori no debe moverse una vez instalado. El problema aparece cuando se desea utilizar el hidrógeno como combustible en aplicaciones en movimiento, como por ejemplo un vehículo. En este caso, por lo general no será posible instalar un depósito de hidrógeno tan grande como se desee y no es viable producir el hidrógeno en el propio coche. A continuación, se adjunta una tabla resumen. Tabla 1: Resumen tipo de pilas de combustible PEMFC AFC PAFC MCFC SOFC DMFC ELECTROLITO membrana de polímero sólido solución alcalina ácido fosfórico carbonatos fundidos óxido sólido membrana de polímero Sólido RANGO DE POTENCIA 5-250 kW 5-150 kW 50kW- 11MW 100KW-2MW 100-250kW 5kW VENTAJAS Baja temperatura Arranque rápido Baja corrosión mantenimiento sencillo. Mayor eficiencia Reacción catódica más rápida Acepta hidrógeno puro Reformado interno Cogeneración Reformado interno Cogeneración No necesita reformador de combustible APLICACIONES Transporte Portátiles Residencia Espaciales Generación eléctrica distribuida y calor Generación eléctrica distribuida y calor Generación eléctrica distribuida y calor Portátiles TEMPERATURA DE OPERACIÓN 60-80ºC 100-120ºC 200-250ºC 600-700ªC 800-1000ºC 50-120ºC 6. ESTADO ACTUAL DEL GRADO DE IMPLANTACIÓN DE LA TECNOLOGÍA DE LA PILA DE COMBUSTIBLE 2019 fue un año histórico para las celdas de combustible, en más de un sentido. La industria de las pilas de combustible finalmente comercializó más de un gigavatio de potencia de stacks de pilas de combustible, de hecho, alrededor de 1.1 GW, como puede observarse en el gráfico número 10. [14] En números generales, el total de unidades suministradas a nivel mundial creció durante 2018-2019 y se mantiene cerca de 70,000 unidades. Un indicador más importante es el incremento de megavatios (MW) suministrados. Esto se relaciona con una mayor área de las celdas de combustible producidas y, por lo tanto, con las capacidades de ventas y fabricación en la industria, y con los costes. Este dato puede apreciarse en la ilustración número 11. Ilustración 10:Megavatios por tipo de pila de combustible 2015-2019 [14] Ilustración 11:Envíos por tipo de pila de combustible 2015 - 2019 (1,000 unidades) [14] El MW creció un 40%, de 800 MW en 2018 a más de 1,100 MW al inicio de 2019 [14]. Dos tercios de los MW enviados son de dos compañías: Toyota y Hyundai. Corea del Sur aumento el volumen, consiguiendo una Hoja de ruta del hidrógeno, más energía estacionaria y automóviles que ninguna otra región, y de igual manera estableció objetivos ambiciosos para muchos otros sectores. California todavía lidera el número de automóviles en la carretera, aunque con menos estaciones de servicio que Japón o Alemania. Y Toyota sigue siendo el líder en producción de vehículos. La nueva fábrica de Umicore en Corea está invirtiendo para proporcionar catalizadores a Hyundai. Las diversas adquisiciones e inversiones de Cummins, Bosch, CNH, y otros también apuntan hacia un mundo de celdas de combustible de servicio pesado que comenzamos a ver hace uno o dos años. Dos trenes ya han estado funcionando durante un año, y docenas más están en orden, lo que significa que se añadirá más capacidad de fabricación. Los autobuses avanzaron también. En China la infraestructura y la producción de vehículos comienzan a alinearse, por lo que podría anticiparse pronto un mayor número de unidades en carretera. Europa está siguiendo varios programas con H2Bus, un plan para 1,000 autobuses de celdas de combustible a precios competitivos. El sector estacionario también muestra signos de desarrollo. BLOQUE 2: TRABAJO DE LABORATORIO. 1. INTRODUCCIÓN Uno de los factores que influyen en los costos y la durabilidad de las celdas de combustible son las condiciones de operación de la pila, esto ha llevado a cabo importantes actividades de investigación tanto en términos de análisis experimental como de desarrollo de herramientas de modelado y simulación. La optimización de la potencia de salida ajustando las condiciones de funcionamiento está dando lugar a pilas más compactas, lo que lleva a una reducción de materiales y costos asociados. De la misma manera, las condiciones de operación adecuadas evitarán un secado o inundación excesiva de la membrana y / o gradientes térmicos de la membrana que eventualmente conducen a la degradación. Los diseños más compactos también permiten una integración más adecuada de las pilas de celdas de combustible en trenes de potencia de vehículos y otras aplicaciones como vehículos aéreos no tripulados o vehículos submarinos no tripulados. En la mayoría de las aplicaciones que involucran operación transitoria con cambios de carga como las mencionadas anteriormente, las condiciones de operación también varían y la operación es generalmente más severa para la celda de combustible. Cuando se prueban las celdas de combustible a escala de laboratorio, las pruebas deben parecerse a las condiciones reales. Con respecto a las pruebas de laboratorio de celdas de combustible destinadas a aplicaciones automotrices, el Centro Común de Investigación (Joint Research Centre - JRC de la Comisión Europea (CE) ha establecido un protocolo de prueba basado en condiciones realistas, que ha sido acordado entre diferentes fabricantes principales [14]. Por lo tanto, esto es de gran importancia cuando se prueban experimentalmente las celdas de combustible de automóviles. La celda de combustible utilizada en los experimentos es una celda de 50 cm2 de ElectroChem Inc., con placas bipolares de grafito que presentan un campo de flujo de serpentina de flujo cruzado. Los canales verticales corresponden al lado del cátodo y los canales horizontales al lado del ánodo. Ilustración 12:Placas bipolares de grafito (lado del ánodo y lado del cátodo). Se usó una membrana Nafion 112 en los experimentos, donde las capas de catalizador eran de 1,0 mg de Pt/cm2 tanto en el electrodo anódico como en el catódico. Se colocaron Toray TGP-H-060 GDL (capas de difusión de gas) en la celda, sin MPL (capas micro porosas). Se utilizaron juntas de silicona para garantizar una configuración ajustada. En ambos lados exteriores de la celda se colocan calentadores tipo film, así como ventiladores de aire externos para permitir un control preciso de la temperatura. Los métodos de ensayo experimentales que se han seguido en el trabajo de investigación se describen en los protocolos de prueba armonizados del JRC para celdas de combustible individuales automotrices.[14] 2. DESCRIPCIÓN DEL BANCO DE ENSAYOS En la fase experimental de este trabajo se ensayan distintos casos variando la relación combustibleaire, siendo esta nuestra variable de interés. Los medios son puestos a disposición por la Escuela Técnica Superior de Ingeniería de Sevilla a través del departamento de Ingeniería Energética. Se pretende la obtención de ensayos rigurosos y que los valores de consigna se mantengan de forma estable. Una vez conseguido esto, se obtiene la curva de polarización experimental para la monocelda en cada condición de operación. A continuación, se describen las capacidades generales que ofrece el banco de ensayos:  Posibilidad de ensayar monoceldas y pequeños stacks hasta 7 celdas.  Áreas activas de las monoceldas y stack desde 50 cm2 a 100 cm2.  Potencia máxima del stack a ensayar de 500 W eléctricos en continuo.  Rango de densidad de corriente de 0-1.8 A/cm2, con posibilidad de trabajar hasta 2.5 A/cm2 en celdas de 50 cm2.  Operación en modo flow-through con posibilidad dead-end  Posibilidad de trabajar de manera dual, con gas oxígeno o aire como oxidante en el cátodo.  Rango de estequiometria para combustible en modo flow-through: λ=1.0-2.0.  Rango de estequiometria para el oxidante:  Oxígeno: λ=1.0 a 5.0 para ensayos tanto en monocelda y stacks;  Aire: λ=1.0 a 3.0 para ensayos en stacks y λ =1.0 a 5.0 para ensayos en monoceldas.  Rangos de operación para los que están dimensionados todos los equipos y el control del banco de ensayos son:  Humedad de las corrientes de entrada desde 0 a 100% de humedad relativa.  Control de la temperatura de ensayo hasta 80 ºC.  Control de la presión de funcionamiento desde 1 bar a 2 bar.  Monitorización del voltaje de celda, hasta 7 celdas individuales Disponemos un banco de ensayo de dimensiones 1985 x 1480 x 1350 mm (altura x anchura x profundidad) y dispone de compartimentos individuales que separan y albergan diferentes equipos y zonas de trabajo. El banco de ensayos, nos permite un fácil acceso a la zona de trabajo mediante unas puertas y ventanas de metacrilato tanto en la parte delantera como en la trasera. La propia estructura del banco de ensayos integra toda la instrumentación y equipos necesarios para el funcionamiento del mismo, por consiguiente, se describe a continuación los equipos principales. [16] 2.1. DESCRIPCION DETALLADA DEL BALANCE DE PLANTA Las diferentes corrientes de entrada y salida de una monocelda o stack necesita de diferentes subsistemas, entre los cuales destacaremos el sistema de suministro de combustible (ánodo), el sistema de suministro de oxidante (cátodo), el sistema de suministro de nitrógeno y el sistema de suministro de agua desionizada. Y destacar, a grandes rasgos, que el banco de ensayo cuenta con un circuito de refrigeración para regular temperaturas de las celdas cuando sea necesario refrigerarlo por agua y con un sistema de ventiladores para refrigeración por aire, fundamentales para altos rangos de temperaturas de la pila. 2.2. SISTEMA DE SUMINISTRO DE COMBUSTIBLE. Este subsistema se encarga de abastecer y acondicionar la corriente de hidrógeno en presión, temperatura, caudal y humedad antes de entrar a la muestra a experimentar, así como tratar con el hidrógeno no reaccionado. La línea de suministro de hidrógeno cuenta con un manómetro de medida, que regula la presión de entrada y también con una electroválvula y válvula antirretorno encargadas del buen tráfico del hidrógeno. El suministro de hidrógeno autoriza al mismo a seguir diferentes caminos según el modo de funcionamiento. Consta de dos caudalímetros másicos, uno para uso de monocelda y otro para stacks, por conductividad térmica para controlar el caudal de hidrógeno en rangos bajos; y por otro lado consta de una electroválvula, para funcionamiento dead-end y una válvula de bola manual. Ilustración 13: Fotografía del balance de planta [16] Ilustración 14:Parte del P&ID correspondiente al suministro de hidrógeno [15] El hidrógeno que no ha reaccionado, abandona las celdas y es conducido directamente al venteo. Esta línea también cuenta con medidores de presión y temperatura, trampa de condensado, filtros, reguladores de presión y electroválvula. 2.3. SISTEMA DE SUMINISTRO DE OXIDANTE. Este subsistema se encarga de suministrar y acondicionar la corriente de oxidante, que puede ser oxígeno o aire, en presión, temperatura, caudal y humedad antes de entrar a la muestra a ensayar, así como gestionar el aire u oxígeno que no reaccionado. Este subsistema dispone de reguladores y transmisor de presión de la corriente de entrada y de una electroválvula al igual que el subsistema anterior. Ilustración 15: Parte del P&ID correspondiente al suministro de oxígeno/aire a la muestra a ensayar [15] De la misma manera que en el caso anterior, el oxígeno/aire puede seguir diferentes caminos dependiendo del modo de funcionamiento. Consta de dos caudalímetros másicos, uno para uso de monocelda y otro para stacks, por conductividad térmica para controlar el caudal de oxígeno/aire en todo el rango de medida; y por otro lado consta de una electroválvula, para funcionamiento dead-end y una válvula de bola manual para labores de mantenimiento. El oxigeno que no ha reaccionado, abandona las celdas y es conducido directamente al venteo. Esta línea también cuenta con medidores de presión y temperatura, trampa de condensado, filtros, reguladores de presión y electroválvula. Tanto al sistema de suministro de combustible como el de oxidante se le añade lo siguiente: ▪ Un humificador cuyo objetivo es saturar la corriente de gas a la temperatura deseada mediante el borboteo de la corriente del fluido a través de una columna de agua calentada a dicha temperatura, que a su vez tiene sensores de nivel, resistencias eléctricas para el calentamiento del agua desionizada, medidores de presión y reposición y vaciado automático. ▪ Hilo calefactor para calentar la corriente de salida del humidificador y mantener la humedad de la línea. ▪ Manguera calefactora, para la revisión de temperatura de la corriente de entrada de hidrógeno a la pila. ▪ Sensor para la medida de humedad relativa. 2.4. SUMINISTRO DE NITRÓGENO Este subsistema se encarga de suministrar nitrógeno como gas de purga para asegurar la inertización de todos los subsistemas y de la muestra a ensayar. Además, el nitrógeno también se utiliza también para labores de preacondicionamiento del banco de ensayo y durante el apagado del sistema. El control del caudal, presión y humedad, necesario para la corriente de nitrógeno se realiza a través de la instrumentación de las líneas de suministro de hidrógeno y oxidante descritas en los apartados anteriores. 2.5. SISTEMA DE SUMINISTRO DE AGUA DESIONIZADA. El banco de ensayos tiene integrado un sistema de producción de agua desionizada por ósmosis inversas. Este sistema que cuenta con un depósito presurizado de 30 litros integrado ha sido diseñado para suministrar agua desionizada al sistema de humidificación de gases de forma automática. Al mismo tiempo, el agua producida por el sistema de deionización será utilizada para un sistema de refrigeración y otros usos del laboratorio (lleva instalado un grifo, de manera que el usuario puede disponer de agua desionizada cuando sea requerido). 2.6. CARGA ELECTRÓNICA El banco de ensayos tendrá integrado una carga electrónica dinámica programable, refrigerada por aire, de corriente continua, modelo ADAPTIVE POWER 5L18-24, con posibilidad de modos de operación en corriente (CC), en potencia (CP) o en voltaje (CV). Como el banco de ensayos debe cubrir tanto el rango de funcionamiento de una monocelda como de un stack de hasta 7 celdas, se dispone en serie a la carga electrónica una fuente de alimentación. La carga electrónica junto con la fuente de alimentación permite trabajar en la zona de 0V a su máxima intensidad Ilustración 16: Parte del P&ID correspondiente al suministro de nitrógeno [15] La fuente de tensión instalada en el banco de ensayos, para llevar a cabo esta función, se trata de una Fuente de Alimentación Programable, conmutada, de corriente continua, modelo MAGNA POWER SL5-250/UI. 3. EJECUCIÓN DE LOS ENSAYOS En este apartado se indican los pasos seguidos para la ejecución de los ensayos, empezando por la metodología tomada con el banco de ensayos y terminando con la definición propia de cada ensayo. 3.1. CHEQUEOS PREVIOS AL ENSAYO Antes de iniciar el ensayo debemos verificar los circuitos de gases, los sistemas de agua desionizada y refrigeración, los dispositivos de carga eléctrica y analizador de respuesta en frecuencia y comprobar que la campana extractora funciona en su posición normal.  Para los circuitos de gases de combustible, (H2), oxidante, (aire u oxígeno), e inerte, (nitrógeno), nos aseguraremos que contamos para todos ellos con un suministro a la entrada al banco con una presión entre 5-8 bares, verificaremos la correcta conexión del enchufe rápido en la plancha lateral del banco de ensayos, y que los manómetros de los correspondientes reguladores de presión, PR-001/002/003 dan lecturas superiores a 4 bar, en caso de que sean inferiores se abrirán los correspondientes reguladores hasta obtener mayor presión de entrada.  En el sistema de agua desionizada comprobaremos las conexiones a la red eléctrica y al agua de red, chequearemos en el display que la conductividad no supera el valor especificado y que no existen mensajes de error o alarma.  En el sistema de refrigeración, (en los casos que se utilice), se verificará que los interruptores del baño termostático están encendidos.  Para la carga electrónica puede ser necesario el ajuste de los límites de tensión mínima para el funcionamiento a bajas tensiones y bajas intensidades sin necesidad de apoyo de la fuente de alimentación, ya que tras el apagado del equipo la configuración vuelve a su valor por defecto. CARGA ELECTRONICA DINAMICA PROGRAMABLE Modelo/Marca ADAPTATIVE POWER 5L18-24 Rango de potencia de entrada 0 - 1800W Rango de voltaje de entrada 0 - 60V Rango de corriente de entrada 0 - 240 Voltaje Mínimo 0,7V @ 240A Modos de operación CC, CP, CR y CV Modo dinámico hasta 20kHz Relación de subida 16mA - 10A/ μ s Tabla 2: Principales especificaciones de la carga electrónica integrada en el banco de ensayos[15] diferencia nos daría el salto de presión que debe ejercer el compresor que multiplicado por el caudal obtenemos la potencia solicitada por el compresor. Estos datos, junto a los demás, se han obtenido mediante la media de los 30 segundos últimos que la celda trabaja a la densidad de corriente propia de cada punto. 5. RESULTADOS DE LOS ENSAYOS. En este apartado se muestran las gráficas y tablas obtenidas en los cuatro ensayos trabajados a nivel de laboratorio. Las gráficas y tablas se disponen en el mismo orden en cada ensayo para luego un mejor entendimiento y explicación de los resultados obtenidos. En este apartado se exponen los datos obtenidos para posteriormente en el apartado 6 del trabajo presentar un análisis más detallado de todos los resultados obtenidos. 5.1. ENSAYO ESTEQUIOMETRÍA DE CÁTODO 1.5 El primer ensayo que se muestra a continuación es el correspondiente a una estequiometria del cátodo de 1.5, valor de referencia según el protocolo (ver tabla número 3). En primer lugar, se van a mostrar las curvas de intensidad y voltaje frente al tiempo de todo el ensayo completo. Estos son los datos que nos proporciona el banco de ensayos y a partir de los cuales obtenemos las curvas de polarización. Se va a representar densidad de corriente (A/cm2) en lugar de corriente (A) para una mejor visualización de los datos. Ilustración 17: SCADA principal del banco de ensayos. Gráfica 2: Densidad de corriente frente a tiempo del ensayo completo con estequiometría del cátodo 1.5 Se aprecia, claramente, todos los detalles del ensayo. Se inicia con el tiempo de establecimiento y posteriormente tiene lugar las tres repeticiones, en las cuales se le demanda los mismos puntos de densidad de corriente en las tres repeticiones. Antes de cada repetición se establece un tiempo de densidad de corriente constante. El procedimiento de ensayo es el detallado en el protocolo JRC con la finalidad es obtener datos precisos y reales. 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 0,00 0,20 0,41 0,61 0,81 1,02 1,22 1,42 1,63 1,83 2,03 2,24 2,44 2,64 2,85 3,05 3,25 3,46 3,66 3,86 4,07 4,27 4,47 4,68 4,88 5,08 5,29 5,49 5,69 5,90 6,10 6,30 6,51 DENSIDAD DE COORIENTE (A/cm2) Tiempo (horas) DENSIDAD DE CORRIENTE ENSAYO ESTEQUIOMETRÍA DEL CÁTODO 1.5 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 0,00 0,20 0,41 0,61 0,81 1,02 1,22 1,42 1,63 1,83 2,03 2,24 2,44 2,64 2,85 3,05 3,25 3,46 3,66 3,86 4,07 4,27 4,47 4,68 4,88 5,08 5,29 5,49 5,69 5,90 6,10 6,30 6,51 VOLTAJE (V) Tiempo (horas) DENSIDAD DE CORRIENTE ENSAYO ESTEQUIOMETRÍA DEL CÁTODO 1.5 Gráfica 3: Voltaje frente a tiempo del ensayo completo con estequiometría del cátodo 1.5 A raíz de estos datos se representan las curvas de polarización (voltaje frente a intensidad) de cada una de las repeticiones. Como se explica en el apartado anterior, mediante el banco de ensayo a la pila se le ha demandado durante el tiempo de operación una serie de puntos de densidad de corriente (tabla 4) y los datos obtenidos en el ensayo se tratan para determinar la media ponderada de los 30 segundos últimos que la pila ha estado trabajando bajo cada intensidad. Gráfica 4: Curva de polarización de la primera repetición del ensayo con una estequiometría del cátodo 1.5. Gráfica 5:Curva de polarización de la segunda repetición del ensayo con una estequiometría del cátodo 1.5 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 0 10 20 30 40 50 60 70 VOLTAJE (V) INTENSIDAD (A) REPETICIÓN 1 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 0 10 20 30 40 50 60 70 VOLTAJE (V) INTENSIDAD (A) REPETICIÓN 2 Gráfica 6: Curva de polarización de la tercera repetición del ensayo con una estequiometría del cátodo 1.5 En los siguientes ensayos solo se mostrará la gráfica final (media de las tres repeticiones) junto a su respectiva tabla con los valores obtenidos. Gráfico y tabla que se muestra a continuación respectivamente para el ensayo con estequiometría del cátodo 1.5. 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 0 10 20 30 40 50 60 70 VOLTAJE (V) INTENSIDAD (A) REPETICIÓN 3 Gráfica 7: Curva de polarización del ensayo con estequiometria del cátodo 1.5 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 Voltaje (v) Densidad de corriente(A/cm2) CURVA DE POLARIZACIÓN ENSAYO ESTEQUIOMETRÍA 1.5 Tabla 5: Valores ensayo estequiometria del cátodo 1.5 INTENSIDAD (A) VOLTAJE (V) DENSIDAD DE CORRIENTE (A/cm2) 0.0 0.971 0.00 1.0 0.898 0.02 2.0 0.873 0.04 3.0 0.855 0.06 4.0 0.840 0.08 5.0 0.827 0.10 10.0 0.770 0.20 15.0 0.738 0.30 20.0 0.704 0.40 29.7 0.655 0.59 39.7 0.598 0.79 49.7 0.555 0.99 59.7 0.488 1.19 49.7 0.573 0.99 39.7 0.635 0.79 29.7 0.692 0.59 20.0 0.736 0.40 15.0 0.758 0.30 10.0 0.788 0.20 5.0 0.844 0.10 4.0 0.855 0.08 3.0 0.868 0.06 2.0 0.884 0.04 1.0 0.908 0.02 0.0 0.968 0.00 La curva de polarización es uno de los métodos más comunes para probar una celda de combustible. La curva de polarización muestra la salida de voltaje de la celda de combustible para una carga de densidad de corriente dada. Las curvas de polarización generalmente se obtienen con un potenciostato / galvanostato, que extrae una corriente fija de la celda de combustible y mide el voltaje de salida de la celda de combustible. Al aumentar lentamente la carga en el potenciostato, se puede determinar la respuesta de voltaje de la celda de combustible. [18] En las curvas de polarización presentadas anteriormente se pueden apreciar las tres regiones distintas de una curva de polarización de celda de combustible: • A bajas densidades de potencia, el potencial de la celda cae como resultado de las pérdidas de activación. • A densidades de corriente moderadas, el potencial celular disminuye linealmente con la corriente debido a pérdidas óhmicas. • A altas densidades de corriente, la caída del potencial celular se aleja de la relación lineal con la densidad de corriente como resultado de una polarización de concentración (transferencia de materia desde canal hasta electrodo a través de la GDL) más pronunciada. Las curvas de potencia son otra manera de evaluar el comportamiento de las pilas de combustible. Representan potencia frente densidad de corriente. De la misma manera que para las curvas de polarización, las curvas de potencia se suelen representar por unidad de superficie, para facilitar la comparación entre distintas pilas de combustible. Además de la curva de potencia (número 8) se muestra la curva de rendimiento (número 9) Se observa que a medida que aumenta la densidad de corriente, la potencia aumenta casi de manera lineal, aunque tiene un máximo a partir del cual se mantiene constante. Este máximo se obtiene entre 1 A/cm2 y 1.2 A/cm2 y da un valor de potencia ligeramente inferior a 30 W. 0 5 10 15 20 25 30 35 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 POTENCIA (W) DENSIDAD DE CORRIENTE (A/cm2) POTENCIA FRENTE DENSIDAD DE CORRIENTE ENSAYO ESTEQUIOMETRÍA DEL CÁTODO 1.5 Gráfica 8: Potencia frente a densidad de corriente del ensayo con estequiometria del cátodo 1.5 0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 0,35 0,4 0,45 0,5 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 EFICIENCIA (%) DENSIDAD DE CORRIENTE (A/cm2) EFICIENCIA ENSAYO ESTEQUIOMETRÍA DEL CÁTODO 1.5 Gráfica 9: Eficiencia del ensayo con estequiometria del cátodo 1.5 En la gráfica de rendimiento; según se va aumentando la densidad de corriente la eficiencia aumenta linealmente hasta llegar a un máximo situado entre 0.2 y 0.4 A/cm2 y a partir de ahí va decreciendo más lentamente. Trabajar a máxima eficiencia significa tener potencias más pequeñas, dado que el punto máximo de eficiencia te da potencia en torno a 10W y el punto de máxima potencia está en torno a una eficiencia del 35%. Para el estudio de potencia de una pila de combustible es de interés conocer la perdida de potencia que se origina en el compresor. Seguidamente se van a exponer las gráficas de potencia demandada por el compresor y la de potencia útil respectivamente. La potencia del compresor es el caudal de aire por la el gradiente de presiones entre la entrada y salida de la pila: 𝑃 = 𝑄 ∗ 𝛥 A medida que aumenta la cantidad de aire, aumenta la potencia del compresor de manera lineal siempre que se mantenga un flujo laminar como es el caso habitual en canales de cátodo de pilas de combustible. Se observa que para una estequiometria del cátodo 1.5 la potencia consumida por el compresor es de 0.5 W a una densidad de corriente de 0.2 A/cm2 y tiene su máximo, en el punto máximo de densidad de corriente, de casi 3W (frente a los casi 30W de producción de potencia eléctrica de la pila de combustible). La gráfica 11 muestra tres gráficas superpuestas, la potencia de la pila en color azul, la potencia del compresor en color naranja y la diferencia entre estas en color gris que corresponde a la potencia útil o neta generada por el sistema de pila de combustible. Se observa que el efecto que genera el compresor es aplanar la curva de potencia. Trabajar en los últimos puntos de densidad de corriente no aporta ninguna ventaja en cuanto a potencia obtenida, porque, si se presta atención, el último tramo de la curva los valores de potencia útil se mantienen aproximadamente 25 W. 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 POTENCIA (W) DENSIDAD DE CORRIENTE (A/cm2) POTENCIA COMPRESOR ENSAYO ESTEQUIOMETRÍA DEL CÁTODO 1.5 Gráfica 10: Potencia demanda por un compresor para el ensayo con estequiometria del cátodo 1.5. Tabla 6: Valores de potencia (W) y eficiencia (%) del ensayo con estequiometría del cátodo 1.5 A/CM2 POT_PILA POT_COMP POT_ÚTIL EFICIENCIA 0.00 0.001 0.500 -0.499 0.00 0.02 0.872 0.430 0.442 0.05 0.04 1.722 0.434 1.288 0.10 0.06 2.542 0.430 2.113 0.14 0.08 3.338 0.426 2.912 0.19 0.10 4.113 0.426 3.687 0.23 0.20 7.688 0.515 7.173 0.43 0.30 11.065 0.753 10.312 0.46 0.40 14.080 0.984 13.096 0.43 0.59 19.437 1.457 17.980 0.40 0.79 23.723 1.908 21.815 0.37 0.99 27.585 2.389 25.196 0.34 1.19 29.142 2.843 26.299 0.30 0.99 28.474 2.397 26.078 0.35 0.79 25.188 1.932 23.256 0.39 0.59 20.517 1.465 19.053 0.42 0.40 14.706 0.993 13.713 0.45 0.30 11.353 0.757 10.596 0.47 0.20 7.861 0.520 7.342 0.44 0.10 4.199 0.428 3.771 0.23 0.08 3.397 0.427 2.970 0.19 0.06 2.580 0.425 2.155 0.14 0.04 1.744 0.428 1.316 0.10 0.02 0.881 0.423 0.458 0.05 0.00 0.001 0.423 -0.422 0.00 -5 0 5 10 15 20 25 30 35 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 Densidas de corriente(A/cm2) POTENCIA ÚTIL ENSAYO ESTEQUIOMETRÍA DEL CÁTODO 1.5 POTENCIA PILA DE COMBUSTIBLE POTENCIA COMPRESOR POTENCIA ÚTIL Gráfica 11: Potencia útil ensayo con estequiometría del cátodo 1.5 La tabla anterior (tabla 6) muestra todos los valores de las gráficas utilizadas anteriormente. Como se explicó al inicio del capítulo, estos valores son una media de los datos obtenidos en las tres repeticiones. 5.1. ENSAYO ESTEQUIOMETRÍA DEL CÁTODO 2.0. Procediendo de igual manera que en el ensayo anterior se mostrará en un primer lugar la curva de polarización con su tabla de valores correspondiente y seguidamente las gráficas de potencia y la de eficiencia. Se aprecian las tres zonas de la curva de polarización. La zona de pérdidas por activación entre 0 y 0.2 A/cm2. La zona entre 0.2 y 0.8 A/cm2 de densidades moderadas corresponde a las pérdidas óhmicas y por ultimo las pérdidas por concentración que corresponde al último tramo de la curva. Esta estequiometría del cátodo da valores un poco más altos de voltaje, que el caso anterior, en la zona de máxima intensidad de corriente, pero valores menores en el resto del rango de valores de densidad de corriente. Estos valores pueden apreciarse en la siguiente tabla. En general, las diferencias no son realmente destacables. 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 Voltaje (v) Densidad de corriente (A/cm2) CURVA POLARIZACIÓN ENSAYO ESTEQUIOMETRÍA DEL CATODO 2.0 Gráfica 12:Curva de polarización del ensayo con estequiometria del cátodo 2.0 Tabla 7: Valores de voltaje e intensidad de corriente del ensayo estequiometría del cátodo 2.0 AMPERIOS A/cm2 VOLTAJE (V) 0 0 0.961 1 0.02 0.889 2 0.04 0.861 3 0.06 0.842 4 0.08 0.826 5 0.1 0.812 10 0.2 0.763 15 0.3 0.724 20 0.4 0.692 29.5 0.59 0.637 39.5 0.79 0.592 49.5 0.99 0.56 59.5 1.19 0.517 49.5 0.99 0.576 39.5 0.79 0.627 29.5 0.59 0.676 20 0.4 0.725 15 0.3 0.752 10 0.2 0.781 5 0.1 0.831 4 0.08 0.843 3 0.06 0.858 2 0.04 0.875 1 0.02 0.9 0 0 0.966 La gráfica número 13 muestra la potencia de la celda frente a la densidad de corriente. La potencia crece, como en el caso anterior, hasta un valor que supera los 30W. Esta estequiometría del cátodo ofrece valores de potencia mayores a la estequiometría de 1.5. La curva de eficiencia, número 24, muestra que para trabajar a una eficiencia máxima (alrededor del 45%) tendríamos que trabajar a una potencia algo mayor de 10W. Estos valores de eficiencia máxima se da una densidad de corriente de 0.2 A/cm2. Sin embargo, trabajar a potencias máximas da un valor de eficiencia en torno al 30%. La potencia demandada por el compresor será la mayor de todos los ensayos, debido a que es el ensayo con mayor estequiometría del cátodo. La curva es la de mayor pendiente alcanzando valores mayores a 6W. 0 1 2 3 4 5 6 7 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 Potencia (W) DENSIDAD DE CORRIENTE (A/cm2) POTENCIA COMPRESOR ENSAYO ESTEQUIOMETRÍA 3.5 -0.005 0.000 0.005 0.010 0.015 0.020 0.025 0.030 0,00 0,20 0,40 0,60 0,80 1,00 1,20 1,40 POTENCIA (W) DENSIDAD DE CORRIENTE (A/Cm2) POTENCIA ÚTIL ENSAYO ESTEQUIOMETRÍA 3.5 POTENCIA UTIL POTENCIA DEL COMPRESOR POTENCIA PILA DE COMBUSTIBLE Gráfica 20: Potencia del compresor para el ensayo con estequiometria del cátodo 3.5 Gráfica 21: Potencia útil de la pila de combustible del ensayo con estequiometría del cátodo 3.5 Como vemos en la gráfica anterior, número 21, en este ensayo obtenemos los valores más bajos de potencia útil. Los valores de potencia de la pila de hidrógeno obtenidos no eran altos y se le añade que es el ensayo más penalizado por la potencia del compresor. Todo esto lleva a obtener valores de potencia útil máxima algo mayores a 20 W. Estos datos se muestran en la tabla a continuación: Tabla 10: Valores de potencia (W) y eficiencia (%) del ensayo con estequiometría del cátodo 3.5. A/cm2 EFICIENCIA POT_PILA POT_COMP POT_ÚTIL 0.00 0.00 0.000 0.393 -0.393 0.02 0.05 0.829 0.419 0.410 0.04 0.09 1.617 0.418 1.198 0.06 0.13 2.380 0.419 1.961 0.08 0.18 3.123 0.477 2.646 0.10 0.22 3.847 0.588 3.259 0.20 0.40 7.098 1.138 5.960 0.30 0.42 10.029 1.687 8.343 0.40 0.39 12.658 2.220 10.438 0.59 0.36 17.278 3.329 13.949 0.79 0.34 21.782 4.386 17.395 0.99 0.31 25.319 5.415 19.904 1.19 0.29 27.993 6.499 21.494 0.99 0.32 26.024 5.491 20.533 0.79 0.35 22.704 4.443 18.261 0.59 0.38 18.336 3.376 14.959 0.40 0.41 13.294 2.247 11.047 0.30 0.43 10.410 1.894 8.516 0.20 0.41 7.293 1.158 6.135 0.10 0.22 3.926 0.601 3.325 0.08 0.18 3.189 0.486 2.703 0.06 0.14 2.431 0.425 2.006 0.04 0.09 1.651 0.424 1.226 0.02 0.05 0.838 0.425 0.413 0.00 0.00 0.000 0.427 -0.427 5.3. ENSAYO ESTEQUIOMETRÍA DEL CÁTODO 1.3 El último ensayo corresponde a una estequiometría del cátodo 1.3, la menor de todas las ensayadas y menor a la indicada en el protocolo de JRC [2] como condición de referencia. Este ensayo no sigue la metodología mostrada en los tres ensayos anteriores, consta de una sola repetición y de un valor máximo densidad de corriente igual a 1 A/cm2. Esto es debido a que el bando de ensayos paró en condiciones de alarma por bajo voltaje antes de finalizar el ensayo programado, con lo que se prevé que las prestaciones en estas condiciones de estequiometría sean menores que en anteriores ensayos. Los valores obtenidos son de una curva de polarización creciente de intensidades. Sin embargo, los datos se han tratado siguiendo el protocolo y se obtiene información muy significativa en cuanto la optimización de la estequiometría del cátodo en una celda de hidrógeno. En primer lugar, se muestra la curva de polarización con su respectiva tabla de valores. Aunque solo se aprecie la curva creciente de intensidades, también se pueden apreciar las tres zonas de una curva de polarización. Entre 0 y 0.2 A/cm2 tenemos las perdidas por activación, a bajas densidad de corriente y representa el sobrepotencial requerido para superar la energía de activación de la reacción electroquímica en la superficie catalítica, es decir, la energía necesaria para iniciar la reacción. La región 2 se observa para densidades de corriente moderadas. La región de pérdidas óhmicas tiene un comportamiento prácticamente lineal y el fenómeno que predomina son las perdidas óhmicas en el interior de la pila de combustible. Por último, las pérdidas por concentración se producen a altas densidades de corriente. En esta zona, la tensión cae bruscamente debido a que la generación de agua líquida es abundante. Este ensayo ofrece valores del voltaje por debajo al ensayo de estequiometria del cátodo 1.5 en las zonas de máxima densidad de corriente. Se aprecia también que presenta valores menores de voltaje en el rango de densidades de corriente bajas y moderadas. Estos datos se muestran en la siguiente tabla: 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 Voltaje (V) DENSIDAD DE CORRIENTE (A/cm2) CURVA DE POLARIZACIÓN ENSAYO ESTEQUIOMETRÍA DEL CÁTODO 1.3 Gráfica 22: Curva de polarización del ensayo con estequiometria del cátodo 1.3. Tabla 11: Valores de densidad de corriente y voltaje del ensayo con estequiometría del cátodo 1.3 A/cm2 VOLTAJE 0.00 0.975 0.02 0.901 0.04 0.876 0.06 0.858 0.08 0.843 0.10 0.830 0.20 0.769 0.30 0.742 0.40 0.701 0.59 0.632 0.79 0.555 0.99 0.511 Seguidamente, se exponen las curvas y tabla de valores de potencia y eficiencia de la pila de combustible. Además de la potencia parásita del compresor correspondiente a este ensayo. Este ensayo proporciona valores de potencia máxima de 25 W, valor inferior a todos los expuestos anteriormente. Dado que los demás ensayos a una densidad de corriente de 1 A/cm2 nos dan valores superiores. 0 5 10 15 20 25 30 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 Potencia (W) DENSIDAD DE CORRIENTE (A/cm2) POTENCIA FRENTE A DENSIDAD DE CORRIENTE ENSAYO ESTEQUIOMETRÍA DEL CÁTODO 1.3 Gráfica 23: Potencia de la pila de combustible frente a densidad de corriente en el ensayo con estequiometría del cátodo 1.3. Podemos observar, que el punto de máxima eficiencia se vuelve a color en una densidad de corriente de 0.3 A/cm2. Trabajar en los puntos de máxima potencia daría valores de eficiencia en torno al 30%. La potencia del compresor, al ser el ensayo con menor caudal de aire, es la menor de todas las ensayadas. Tiene un valor máximo de 2 W; Aproximadamente un tercio de la potencia demandada por el ensayo con estequiometria del cátodo 3.5 aunque no muy inferior a la demandada por el ensayo con estequiometria del cátodo 1.5. 0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 0,35 0,4 0,45 0,5 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 Eficiencia (%) DENSIDAD DE CORRIENTE (A/cm2) EFICIENCIA ENSAYO ESTEQUIOMETRÍA DEL CÁTODO 1.3 Gráfica 24: Eficiencia del ensayo con estequiometría del cátodo 1.3. 0 0,5 1 1,5 2 2,5 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 Potencia (W) DENSIDAD DE CORRIENTE (A/cm2) POTENCIA DEL COMPRESOR ENSAYO ESTEQUIOMETRÍA DEL CÁTODO 1.3 Gráfica 25: Potencia del compresor del ensayo con estequiometría del cátodo 1.3 Analizando la potencia útil, se determina claramente que los valores son inferiores a los obtenidos en el ensayo con estequiometría del cátodo 1.5, y un poco superiores a los del ensayo con estequiometria del cátodo 3.5 como se analizará en el apartado 6. El efecto del compresor es el menos perjudicial de todos los ensayos, pero determinamos que aun cuando el consumo del compresor es menor, no añade beneficio porque la potencia obtenida es menor. -5 0 5 10 15 20 25 30 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 Potencia (W) DENSIDAD DE CORRIENTE (A/cm2) POTENCIA ÚTIL ENSAYO ESTEQUIOMETRÍA DEL CÁTODO 1.3 POT_COMP POT_ÚTIL POT_PILA Gráfica 26: Potencia útil del ensayo con estequiometría del cátodo 1.3. Los datos de las gráficas del ensayo con estequiometria de cátodo 1.3 se muestran en la tabla siguiente. Tabla 12: Valores de potencia (W) y eficiencia (%) del ensayo con estequiometría del cátodo 1.3. A/cm2 EFICIENCIA POT_PILA POT_COMP POT_ÚTIL 0.00 0.00 0.002 0.497 -0.494 0.02 0.05 0.875 0.429 0.446 0.04 0.10 1.727 0.426 1.300 0.06 0.14 2.550 0.423 2.127 0.08 0.19 3.350 0.430 2.920 0.10 0.23 4.129 0.426 3.703 0.20 0.43 7.673 0.453 7.220 0.30 0.46 11.115 0.660 10.455 0.40 0.43 14.022 0.865 13.156 0.59 0.39 18.759 1.258 17.501 0.79 0.34 22.030 1.668 20.362 0.99 0.31 25.410 2.097 23.313 6. ANÁLISIS DE LOS ENSAYOS. Las técnicas de caracterización se utilizan para comparar distintos dispositivos de pilas de combustible y permiten analizar el comportamiento de la pila a partir de los datos experimentales obtenidos en el laboratorio. Las técnicas de caracterización más efectivas indican porque una pila tiene un buen o mal rendimiento. Las pilas de combustible necesitan mejorar los puntos de operación y durabilidad de cada uno de sus componentes para ser dispositivos atractivos en aplicaciones finales. El objetivo de las pruebas de estequiometría catódica es evaluar las variaciones de prestaciones y rendimiento de la celda cuando se opera a los distintos valores de estequiometria mencionados. El flujo de masa de aire que se suministra a la celda tiene una clara influencia en términos de transporte de oxígeno, capacidad de eliminación de agua líquida, y también el secado de la membrana según la humedad relativa del aire. También genera pérdidas parásitas, ya que generalmente el suministro de aire es gestionado por un compresor. Las tres principales variables en los experimentos de caracterización son el voltaje, la corriente y el tiempo. Las técnicas experimentales más utilizadas para la caracterización de las pilas de combustible son las curvas de polarización y la espectroscopía de impedancia electroquímica. Aunque en la actualidad se están introduciendo, además, técnicas que permiten analizar qué ocurre en las diferentes regiones de la pila utilizando métodos de análisis novedosos como las celdas segmentadas, o la visualización mediante tomografía de neutrones de alta resolución. La Gráfica que se muestra a continuación presenta la superposición de las cuatro curvas de polarización de los diferentes ensayos. En los tres primeros ensayos observamos las tres zonas características dentro en la curva de polarización, como bien se observa en la gráfica 27. También se observa que la curva hacia adelante (corriente creciente) está por debajo de la curva hacia atrás (corriente decreciente) indica claramente que existe un cierto grado de secado en la celda para los componentes de la celda y las condiciones de operación especificadas. A medida que se aumenta la densidad de corriente, aumenta la producción de agua y esto favorece para mantener unas condiciones óptimas de humedad y que el voltaje generado al disminuir la densidad de corriente sea mayor. [20] Destacamos que los valores de voltaje mayores se dan para el caso de una estequiometría del cátodo 1.5, acompañado del ensayo con estequiometría 2 para valores altos de densidad de corriente y del ensayo con una estequiometría del cátodo 1.3 para valores bajos de densidad de corriente. Esto se puede apreciar mejor comparando las gráficas de potencia, como se expone en la gráfica siguiente con las cuatro curvas de potencia superpuestas de los ensayos. Gráfica 27: Curvas de polarización de los cuatro ensayos. 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 1,1 1,2 Voltaje (V) Densidad de corriente (A/cm2) CURVAS DE POLARIZACIÓN ENSAYO 1.3 ENSAYO 1.5 ENSAYO 2 ENSAYO 3.5 Los valores menores de potencia se obtienen en el ensayo con estequiometria del cátodo 3.5 y puede ser debido a que el secado de la celda no favorece a la hidratación de la membrana. Se produce un mayor secado ya que la cantidad de agua que se forma es la misma en todos los ensayos y la celda necesita humedad en una cierta medida sin ser inundada, puesto que esto también penaliza el comportamiento. Al suministrar más aire, pero a una humedad relativa no adecuada, se favorece el secado en mayor medida incrementando las pérdidas de voltaje. El caso opuesto, con estequiometría 1.3, también presenta menores prestaciones, causadas por la menos cantidad de oxígeno suministrado a la pila y, por tanto, al electrodo. Las variables que influyen en este comportamiento son la formación de agua y el secado de la celda. Durante el funcionamiento, en el cátodo se produce agua procedente de la reacción electroquímica del hidrógeno y el oxígeno, a esta agua, hay que añadirle la proveniente de los gases reactivos, que se introducen en la célula mezclados con vapor de agua, para asegurar una correcta humedad de la membrana polimérica, presentando una buena conducción protónica. Si la cantidad de agua no es óptima y, por el contrario, es menor o superior se entorpece la reacción y el comportamiento de la celda no es ideal. A altas estequiometría el exceso de aire, propicia un secado de la celda y por eso las prestaciones bajan. [18] Gráfica 28: Curvas de potencia de los cuatro ensayos. 0 5 10 15 20 25 30 35 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 Potencia (W) Densidad de corriente (A/cm2) CURVAS DE POTENCIA ENSAYO 1.3 ENSAYO 1.5 ENSAYO 2.0 ENSAYO 3.5 A fin de analizar la eficiencia de los cuatro ensayos se presenta la gráfica número 29 con las curvas de eficiencia de los diferentes ensayos. Gráfica 29: Curvas de eficiencia de los cuatro ensayos Se observa que todos los ensayos tienen el punto de máxima eficiencia en torno a 0.3 A/cm2. Esta cantidad de amperios de amperios por cm2 es con la cual la pila aprovecha mejor el combustible. Se aprecia que el ensayo con λ=3.5 es el más perjudicial en cuanto a términos de eficiencia seguido del ensayo con λ=1.3. Los valores de eficiencia máxima están en torno al 45% pero son valores en los cuales la pila no genera una gran potencia. Operando la pila con valores de potencia máxima, se estaría trabajando con valores de eficiencia en torno al 30- 35%. Estos valores relativamente bajos para una pila de combustible son debidos en gran medida a la estequiometria de ánodo utilizada junto con el modo de operación flow-through, donde el hidrógeno alimentado en exceso se ventea penalizando por tanto el rendimiento. El consumo del compresor, puede afectar muy negativamente a la potencia útil de la pila. En la gráfica 30 se observan las diferentes curvas de consumo del compresor de los cuatro ensayos y se concluye que a medida que aumenta el caudal de aire suministrado aumenta el consumo del compresor. El consumo del compresor es una recta lineal con pendiente positiva. La pendiente se agranda a medida que aumentamos la estequiometria del cátodo. Se expone a continuación el efecto que tiene la potencia parasita del compresor en la potencia de la pila de hidrógeno mediante una curva de potencia útil de la pila en los diferentes ensayos. 0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 0,35 0,4 0,45 0,5 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 Eficiencia (%) Densidad de corriente (A/cm2) CURVAS DE EFICIENCIA ENSAYO 1.3 ENSAYO 1.5 ENSAYO 2.0 ENSAYO 3.5 data Data Descriptor Data from Experimental Analysis of the Performance and Load Cycling of a Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell Andrea Ramírez-Cruzado 1,†, Blanca Ramírez-Peña 1,†, Rosario Vélez-García1,†, Alfredo Iranzo 1,2,* and JoséGuerra 1 1 Thermal Engineering Group, Energy Engineering Department, School of Engineering, University of Sevilla, Camino de los Descubrimientos s/n. 41092 Sevilla, Spain; [email protected] (A.R.-C.); [email protected] (B.R.-P.); [email protected] (R.V.-G.); [email protected] (J.G.) 2AICIA (Andalusian Association for Research & Industrial Cooperation)—Thermal Engineering Group, Camino de los Descubrimientos s/n. 41092 Sevilla, Spain *Correspondence: [email protected]; Tel.: +34-954-487174 †Contributed equally to this work. Received: 27 April 2020; Accepted: 19 May 2020; Published: 20 May 2020   Abstract: Fuel cells are electrochemical devices that convert the chemical energy stored in fuels (hydrogen for polymer electrolyte membrane (PEM) fuel cells) directly into electricity with high efficiency. Fuel cells are already commercially used in different applications, and significant research efforts are being carried out to further improve their performance and durability and to reduce costs. Experimental testing of fuel cells is a fundamental research activity used to assess all the issues indicated above. The current work presents original data corresponding to the experimental analysis of the performance of a 50 cm 2 PEM fuel cell, including experimental results from a load cycling dedicated test. The experimental data were acquired using a dedicated test bench following the harmonized testing protocols defined by the Joint Research Centre (JRC) of the European Commission for automotive applications. With the presented dataset, we aim to provide a transparent collection of experimental data from PEM fuel cell testing that can contribute to enhanced reusability for further research. Dataset: Dataset submitted and to be published as a supplement to this paper in the journal Data (www.mdpi.com/xxx/s1). Dataset License: CC-BY Keywords: fuel cell; polymer electrolyte membrane; polarization curve; load cycling; New European Driving Cycle 1. Summary The presented dataset contains original raw data files corresponding to experiments carried out with a 50 cm 2 polymer electrolyte membrane (PEM) fuel cell, as reported in Ram í rez-Cruzado et al. [ 1 ]. A detailed description of the test bench and the fuel cell components is provided in [ 1 ]. A 50 cm 2 single cell from ElectroChem Inc. (Woburn, MA, United States) was used in the experiments. Graphite bipolar plates were used, with a serpentine flow field in a cross-flow layout [ 1 ]. The membrane was a Nafion 112 (DuPont, Wilmington, Delaware, United States) with 1.0 mg Pt/cm2catalyst layers. Toray TGP-H-060 gas diffusion layers (GDLs) by Toray Industries, Inc., Tokyo, Japan, were used in the cell, without microporous layers (MPL). Data 2020,5, 47; doi:10.3390/data5020047 www.mdpi.com/journal/data Data 2020,5, 47 2 of 5 The experimental testing was carried out according to the testing protocols defined by the Joint Research Centre (JRC) of the European Commission for automotive applications [2]. The dataset relates to two main kinds of experiments: • Firstly, cell performance experiments, where the polarization curves were recorded for different operating conditions. All testing conditions were variations with respect to reference conditions representative of automotive applications. By doing this, the impact of different variations in the temperature of the cell, pressure of reactants, or cathode stoichiometry could be analyzed. The operating conditions tested are indicated in Table 1[ 1 ]. For the cell performance experiments, most of the operating conditions were repeated three times in order to enable reproducibility of the experiments, as described in [1]. • Second, durability experiments, where an example of the application of load changes according to the New European Driving Cycle (once adapted to fuel cells as indicated in [ 2 ]) is provided. This data set contains data of the polarization curve at the beginning of the test and at the end of the test in order to assess the eventual cell degradation, which was discussed in Ramírez-Cruzado et al. [1]. Table 1. Operating conditions defined for the fuel cell (according to the testing protocol [2]) [1]. Operating Condition Reference Condition Test Temperature Test Pressure Test Cathode Stoichiometry Cell Temperature (◦C) 80 70, 85 80 80 Anode Pressure (kPa) 1250 250 160; 190 250 Cathode Pressure (kPa) 1230 230 140; 190 230 Anode Relative Humidity (%) 50 50 50 50 Cathode Relative Humidity (%) 30 30 30 30 Anode Stoichiometry (-) 1.3 1.3 1.3 1.3 Cathode Stoichiometry (-) 1.5 1.5 1.5 1.3, 2.0, 3.5 1Absolute pressure. The dataset was obtained during cell testing research work corresponding to the development of the funded research projects referenced at the end of this paper: • Spanish Ministry of Science, Innovation and Universities, grant number ENE2017-91159-EXP (Bio-inspired designs for bipolar plates of PEM Fuel Cells with optimized water management); • Spanish Ministry of Economy and Competitiveness, grant number UNSE15-CE2962 (Characterization and optimization of fuel cells for their integration in mobile and stationary applications). The main publication based on the dataset is Ramírez-Cruzado et al. [1]. The lack of availability of real experimental data is hindering the research and development of PEM fuel cell technology. With the presented dataset, we aim to provide a transparent collection of experimental data on PEM fuel cell testing that can contribute to enhancing reusability for further research. 2. Data Description The data contained in this work (as Supplementary Materials) are the following. A compressed .rar file is provided (Experimental_performance_load_cycling_PEMFC.rar), wherein two folders are included: • Cell_Performance_Data. This folder contains four subfolders, corresponding to the different groups of tests indicated in Table 1, named Reference_Conditions_tests, Cell_Pressure_tests, Cell_Temperature_tests, and Cathode_stoichiometry_tests. Each of the subfolders contains the original raw data files (compressed in .rar) corresponding to the different operating conditions for this group of tests, as follows: Data 2020,5, 47 3 of 5 #Reference_Conditions_tests contains the Reference Conditions test; #Cell_Temperature_tests contains Temperature_70C.rar and Temperature_85C.rar; # Cell_Pressure_tests contains Pressure_anode160kPa_cathode140kPa.rar and Pressure_anode190kPa_cathode190kPa.rar; # Cathode_stoichiometry_tests contains Lambda_cat_3_5.rar (corresponding to λc =3.5), Lambda_cat_2_0.rar (corresponding to λc =2.0), and Lambda_cat_1_3.rar (corresponding to λc=1.3). •Cell_Load_Cycling_NEDC_Data. This folder contains an ASCII (text) file with the experimental raw data of the test, named Cell_Load_Cycling_NEDC_experiment.rar. After decompression, the original raw data file can be obtained. All raw data files are organized with the same structure. There is one raw datum for each clock time, where the acquisition time was 1 s. All variables recorded during the experiment are presented in columns. Table 2indicates the original name of the column (in Spanish language), the translated name of the column, the units of the variable, and a brief explanation. The locations of the different instrumentation are shown in Figure 1, where a simplified P&ID (Piping and Instrumentation Diagram) is included for the sake of clarity. Table 2. Description of the dataset variable contents. Column ID Original Variable Name Translated Variable Name Unit Description 1 FECHA Date dd/mm/yy Actual date 2 HORA Time hh:mm:ss Actual time 3 PT001 PT001 bar(a) Pressure 1 4 PT002 PT002 bar(a) Pressure 1 5 PT003 PT003 bar(a) Pressure 1 6 PT004 PT004 bar(a) Pressure 1 7 PT005 PT005 bar(a) Pressure 1 8 PT006 PT006 bar(a) Pressure 1 9 PT007 PT007 bar(a) Pressure 1 10 BP001 BP001 bar(a) Pressure 1 11 BP002 BP002 bar(a) Pressure 1 12 FT001 FT001 Nl/min H2flow rate (low flow) 1 13 FT002 FT002 Nl/min H2flow rate (high flow) 1 14 FT003 FT003 Nl/min Air flow rate (low flow) 1 15 FT004 FT004 Nl/min Air flow rate (high flow) 1 16 FT005 FT005 Nl/min Coolant flow rate 1,2 17 HT001 HT001 % Relative humidity 1,3 18 HT002 HT002 % Relative humidity 1,3 19 V001 V001 V Cell voltage 20 V002 V002 V Cell voltage 2 21 V003 V003 V Cell voltage 2 22 V004 V004 V Cell voltage 2 23 V005 V005 V Cell voltage 2 24 V006 V006 V Cell voltage 2 25 V007 V007 V Cell voltage 2 26 TT001 TT001 ◦CTemperature 1 27 TT002 TT002 ◦CTemperature 1 28 TT003 TT003 ◦CTemperature 1 29 TT004 TT004 ◦CTemperature 1 30 TT005 TT005 ◦CTemperature 1 31 TT006 TT006 ◦CTemperature 1 32 TT007 TT007 ◦CTemperature 1 33 TT008 TT008 ◦CTemperature 1 34 TT009 TT009 ◦CTemperature 1 35 TT010 TT010 ◦CTemperature 1 36 TT011 TT011 ◦CTemperature 1 37 TT012 TT012 ◦CTemperature 1 38 TT013 TT013 ◦CTemperature 1 39 TT014 TT014 ◦CTemperature 1 40 TT015 TT015 ◦CTemperature 1 41 TT016 TT016 ◦CTemperature 1 42 TT017 TT017 ◦CTemperature 1 43 TT018 TT018 ◦CTemperature 1 44 TT019 TT019 ◦CTemperature 1 45 TT020 TT020 ◦CTemperature 1 46 TT021 TT021 ◦CTemperature 1 47 TT022 TT022 ◦CTemperature 1 48 TT023 TT023 ◦CTemperature 1 49 TT024 TT024 ◦CTemperature 1 50 TT025 TT025 ◦CTemperature 1 51 TT026 TT026 ◦CTemperature 1 52 INTENSIDAD CURRENT A Cell current 1 refer to P&ID in Figure 1; 2 not used in the experiment; 3 not calibrated, not used in the experiment (Relative Humidity in reactant supply is set by adjusting humidifier temperature and line temperature). Data 2020,5, 47 4 of 5 Figure 1. Simplified P&ID of the test bench showing the instrumentation referred in Table 2. Data 2020,5, 47 5 of 5 3. Methods The data were acquired with an acquisition time of 1 s and a dwell time of 200 s. The experiments were carried out according to the testing protocols described in [ 2 ], where the last 30 datasets for each current density were used for the derivation of the polarization curve (acquisition time). Most polarization curves were repeated three times in order to assess the reproducibility of the measurements. This was depicted in [ 2 ] by including error bars in the measurement points (calculated using the standard deviation of the three samples). 4. User Notes The first part of the datafiles corresponds to the start-up of the cell in order to reach the current density defined for the conditioning step described in [ 2 ], which corresponds to 0.5 A/cm 2 . The last column corresponds to the current, which can be easily converted to current density by dividing by the active area of the cell (50 cm 2 ). In order to have a quick overview of the data and the overall test contained in each datafile, it is recommended to create a graph representing cell voltage and cell intensity against time. The polarization curves consist of both the increasing current step and the decreasing current step, as described in [1,2]. Supplementary Materials: The following are available online at http://www.mdpi.com/2306-5729/5/2/47/s1, Experimental_performance_load_cycling_PEMFC.rar. Author Contributions: Conceptualization, A.I. and J.G.; methodology, A.I.; formal analysis, B.R.-P., A.R.-C., R.V-G., A.I.; investigation, A.I., B.R.-P., A.R.-C., R.V.-G.; resources, J.G.; data curation, B.R.-P., A.R.-C., R.V.-G.; writing—original draft preparation, A.I.; writing—review and editing, A.I.; supervision, A.I. and J.G.; project administration, A.I. and J.G.; funding acquisition, A.I. and J.G. All authors have read and agreed to the published version of the manuscript. Funding: This research was funded by the Spanish Ministry of Science, Innovation and Universities, grant number ENE2017-91159-EXP (Bio-inspired designs for bipolar plates of PEM Fuel Cells with optimized water management) and by the Spanish Ministry of Economy and Competitiveness, grant number UNSE15-CE2962 (Characterization and optimization of fuel cells for their integration in mobile and stationary applications). Conflicts of Interest: The authors declare no conflict of interest. The funders had no role in the design of the study; in the collection, analyses, or interpretation of data; in the writing of the manuscript; or in the decision to publish the results. References 1. Ram í rez-Cruzado, A.; Ram í rez-Peña, B.; V é lez-Garc í a, R.; Iranzo, A.; Guerra, J. Experimental analysis of the performance and load cycling of a Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell. Processes 2020 , in press. [CrossRef] 2. Tsotridis, G.; Pilenga, A.; De Marco, G.; Malkow, T. EU Harmonised Test Protocols for PEMFC MEA Testing in Single Cell Configuration for Automotive Applications; Publications Office of the European Union: Luxembourg, 2015; ISBN 978-92-79-54133-9/978-92-79-54132-2. [CrossRef] © 2020 by the authors. Licensee MDPI, Basel, Switzerland. This article is an open access article distributed under the terms and conditions of the Creative Commons Attribution (CC BY) license (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). processes Article Experimental Analysis of the Performance and Load Cycling of a Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell Andrea Ramírez-Cruzado 1,†, Blanca Ramírez-Peña 1,†, Rosario Vélez-García1,†, Alfredo Iranzo 1,2,* and JoséGuerra 1 1 Thermal Engineering Group, Energy Engineering Department, School of Engineering, University of Sevilla, Camino de los Descubrimientos s/n, 41092 Sevilla, Spain; [email protected] (A.R.-C.); [email protected] (B.R.-P.); [email protected] (R.V.-G.); [email protected] (J.G.) 2AICIA (Andalusian Association for Research & Industrial Cooperation)—Thermal Engineering Group, Camino de los Descubrimientos s/n, 41092 Sevilla, Spain *Correspondence: [email protected]; Tel.: +34-954-487174 †Contributed equally to this work. Received: 17 April 2020; Accepted: 11 May 2020; Published: 20 May 2020   Abstract: In this work, a comprehensive experimental analysis on the performance of a 50 cm 2 polymer electrolyte membrane (PEM) fuel cell is presented, including experimental results for a dedicated load cycling test. The harmonized testing protocols defined by the Joint Research Centre (JRC) of the European Commission for automotive applications were followed. With respect to a reference conditions representative of automotive applications, the impact of variations in the cell temperature, reactants pressure, and cathode stoichiometry was analyzed. The results showed that a higher temperature resulted in an increase in cell performance. A higher operating pressure also resulted in higher cell voltages. Higher cathode stoichiometry values negatively affected the cell performance, as relatively dry air was supplied, thus promoting the dry-out of the cell. However, a too low stoichiometry caused a sudden drop in the cell voltage at higher current densities, and also caused significant cell voltage oscillations. No significant cell degradation was observed after the load cycling tests. Keywords: fuel cell; polymer electrolyte membrane; polarization curve; load cycling; New European Driving Cycle 1. Introduction Proton exchange membrane or polymer electrolyte membrane fuel cells (PEMFCs) are electrochemical devices that convert chemical energy directly to electrical energy with higher efficiencies than the ones corresponding to the Carnot thermodynamic cycles. Fuel cells are increasingly being deployed in the energy generation sector and also in the automotive sector, with major manufacturers focusing on both purely electric and PEMFC-based power-trains. For a further commercial deployment of the technology, it is widely recognized that both cost reductions and durability improvements are required [1,2]. One of the factors influencing fuel cell costs and durability is the operating conditions of the cell and the fuel cell stack, and it has therefore resulted in major research activities both in terms of experimental analysis [ 3 – 6 ] and development of modeling and simulation tools [ 7 , 8 ]. Optimizing the power output by adjusting the operating conditions is leading to more compact stacks, with a consequent reduction in materials and associated cost. In the same manner, adequate operating conditions help avoid excessive membrane drying/flooding or membrane temperate gradients that eventually lead to degradation [ 1 , 9 ]. More compact designs also enable a more suitable integration of Processes 2020,8, 608; doi:10.3390/pr8050608 www.mdpi.com/journal/processes Processes 2020,8, 608 2 of 16 fuel cell stacks in vehicle power trains and other applications such as unmanned aerial vehicles or unmanned underwater vehicles. In most applications involving transient operation with load changes such as the ones mentioned previously, the operating conditions also vary and the operation is usually more severe to the fuel cell. When testing fuel cells at a lab-scale, testing should resemble real conditions, if possible. Several fuel cell testing protocols are available in the literature and comparisons among them have been developed in the work of Bloom et al. [ 10 ]. Regarding laboratory testing of fuel cells intended for automotive applications, the Joint Research Centre (JRC) of the European Commission (EC) has established a testing protocol based on realistic conditions being encountered in such applications [ 11 ], which has been agreed upon by different major manufacturers. This is therefore of significant importance when experimentally testing automotive fuel cells. Based on the JRC testing protocol mentioned [ 11 ], this work presents a contribution covering experimental studies of a 50 cm 2 PEM fuel cell, including the experimental results for a load cycling test. Cell performance, electrical efficiency, and cycling degradation studies are included in the experimental analysis. 2. Materials and Methods 2.1. Materials The experiments were carried out in a fuel cell test bench equipped with a programmable load (ADAPTATIVE POWER 5L18-24, Adaptive Power Systems, Irvine, CA, United States) and the necessary Balance of Plant (BoP) to test a PEM Fuel Cell, including anode and cathode humidifiers based on DI water tanks (bubblers), and anode and cathode back-pressure regulators. The test bench was able to control the cell temperature and pressure, and the anode and cathode process variables such as volume flow, relative humidity (RH), pressure, and temperature. The test bench is depicted in Figure 1. Processes 2020, 8, x FOR PEER REVIEW 2 of 16 compact designs also enable a more suitable integration of fuel cell stacks in vehicle power trains and other applications such as unmanned aerial vehicles or unmanned underwater vehicles. In most applications involving transient operation with load changes such as the ones mentioned previously, the operating conditions also vary and the operation is usually more severe to the fuel cell. When testing fuel cells at a lab-scale, testing should resemble real conditions, if possible. Several fuel cell testing protocols are available in the literature and comparisons among them have been developed in the work of Bloom et al. [10]. Regarding laboratory testing of fuel cells intended for automotive applications, the Joint Research Centre (JRC) of the European Commission (EC) has established a testing protocol based on realistic conditions being encountered in such applications [11], which has been agreed upon by different major manufacturers. This is therefore of significant importance when experimentally testing automotive fuel cells. Based on the JRC testing protocol mentioned [11], this work presents a contribution covering experimental studies of a 50 cm2 PEM fuel cell, including the experimental results for a load cycling test. Cell performance, electrical efficiency, and cycling degradation studies are included in the experimental analysis. 2. Materials and Methods 2.1. Materials The experiments were carried out in a fuel cell test bench equipped with a programmable load (ADAPTATIVE POWER 5L18-24, Adaptive Power Systems, Irvine, CA, United States) and the necessary Balance of Plant (BoP) to test a PEM Fuel Cell, including anode and cathode humidifiers based on DI water tanks (bubblers), and anode and cathode back-pressure regulators. The test bench was able to control the cell temperature and pressure, and the anode and cathode process variables such as volume flow, relative humidity (RH), pressure, and temperature. The test bench is depicted in Figure 1. (a) (b) Figure 1. Test bench (a) front view showing the main components; and (b) back view showing the BoP (Balance of Plant). The fuel cell used in the experiments was a 50 cm2 single cell from ElectroChem Inc. (Woburn, MA, United States), with graphite bipolar plates featuring a cross-flow serpentine flow field (Figure 2). Vertical channels corresponded to the cathode side and the horizontal channels to the anode side. A Nafion 112 membrane (DuPont, Wilmington, Delaware, United States) was used in the experiments, where the catalyst layers were 1.0 mg Pt/cm2 in both anode and cathode. Toray TGP-H-060 GDLs (gas diffusion layers, GDLs by Toray Industries, Inc., Tokyo, Japan) were placed in Figure 1. Test bench ( a ) front view showing the main components; and ( b ) back view showing the BoP (Balance of Plant). The fuel cell used in the experiments was a 50 cm 2 single cell from ElectroChem Inc. (Woburn, MA, USA), with graphite bipolar plates featuring a cross-flow serpentine flow field (Figure 2). Vertical channels corresponded to the cathode side and the horizontal channels to the anode side. A Nafion 112 membrane (DuPont, Wilmington, Delaware, United States) was used in the experiments, where the catalyst layers were 1.0 mg Pt/cm 2 in both anode and cathode. Toray TGP-H-060 GDLs (gas diffusion layers, GDLs by Toray Industries, Inc., Tokyo, Japan) were placed in the cell, without the micro porous layers (MPL). Silicon gaskets were used to ensure a tight configuration. On the outer sides of the cell film, heaters (Figure 2, bottom) as well as external air fans were placed in order to allow for an accurate temperature control. Processes 2020,8, 608 3 of 16 Processes 2020, 8, x FOR PEER REVIEW 3 of 17 without the micro porous layers (MPL). Silicon gaskets were used to ensure a tight configuration. On the outer sides of the cell film, heaters (Figure 2, bottom) as well as external air fans were placed in order to allow for an accurate temperature control. Figure 2. (Top) Graphite bipolar plates (anode side and cathode side) with serpentine flow field. (Bottom left) External fan (black) and film heater attached to the terminal plates for temperature control. (Bottom right) Thermocouple inserted into the cathode monopolar plate for cell temperature measurement. 2.2. Methods The experimental testing methods that have been followed in the research work are described in the JRC harmonized testing protocols for automotive single fuel cells [11]. The objective of such protocols was to establish a methodology for a better comparison of the performance and durability achieved by different fuel cells (single cells). Operating conditions representative of automotive applications were proposed (the so-called reference conditions, as indicated in Table 1). The protocol also established expected ranges for the operating conditions for variables such as temperature, reactants pressure, and humidification, or stoichiometry. Load cycling experiments (applying a repetitive load profile to the cell) were also described in the protocol [11] and have been used in the current research work. The load cycle proposed in the protocol was based on the New European Driving Cycle [12]. The experimental tests carried out are presented in Table 1, where the reference conditions represent the benchmark conditions used for comparison, and the set of tests carried out were grouped by the variable being modified (cell temperature, reactants pressure, and cathode Figure 2. ( Top ) Graphite bipolar plates (anode side and cathode side) with serpentine flow field. ( Bottom left ) External fan (black) and film heater attached to the terminal plates for temperature control. ( Bottom right ) Thermocouple inserted into the cathode monopolar plate for cell temperature measurement. 2.2. Methods The experimental testing methods that have been followed in the research work are described in the JRC harmonized testing protocols for automotive single fuel cells [11]. The objective of such protocols was to establish a methodology for a better comparison of the performance and durability achieved by different fuel cells (single cells). Operating conditions representative of automotive applications were proposed (the so-called reference conditions, as indicated in Table 1). The protocol also established expected ranges for the operating conditions for variables such as temperature, reactants pressure, and humidification, or stoichiometry. Load cycling experiments (applying a repetitive load profile to the cell) were also described in the protocol [ 11 ] and have been used in the current research work. The load cycle proposed in the protocol was based on the New European Driving Cycle [12]. Processes 2020,8, 608 4 of 16 Table 1. Operating conditions defined for the fuel cell (according to the testing protocol [11]). Operating Condition Reference Conditions Test Temperature Test Pressure Test Cathode Stoichiometry Cell Temperature (◦C) 80 70, 85 80 80 Anode Pressure (kPa) 1250 250 160; 190 250 Cathode Pressure (kPa) 1230 230 140; 190 230 Anode RH (%) 50 50 50 50 Cathode RH (%) 30 30 30 30 Anode Stoichiometry (-) 1.3 1.3 1.3 1.3 Cathode Stoichiometry (-) 1.5 1.5 1.5 1.3, 2.0, 3.5 1Absolute pressure. The experimental tests carried out are presented in Table 1, where the reference conditions represent the benchmark conditions used for comparison, and the set of tests carried out were grouped by the variable being modified (cell temperature, reactants pressure, and cathode stoichiometry). All tests represent deviations from the reference conditions, which would result in changes to both cell performance and durability. As indicted in Table 1, 80 ◦ C was defined as the reference cell temperature. The cell temperature was measured at the center point of the side of the cathode monopolar plate in the single cell. As stated previously, a constant temperature was maintained during all experiments by means of electric heaters placed on both sides of the fuel cell (when external heating was required), or by means of external cooling fans placed on both sides of the cell (when external cooling was required, particularly at higher current densities). A set of polarization curves in galvanostatic mode (including both forward and backward current) was performed for each condition depicted in Table 1. Before performing each set of polarization curves, the cell was conditioned according to the specifications provided in the testing protocol [ 11 ]. The set points for the polarization curves are included in Appendix A. Regarding the load cycling tests, the objective was to carry them out in a laboratory environment and at a single cell level, by varying the power demands during vehicle operation, which is known to be a relevant source of stress on MEA performance and durability [ 13 , 14 ]. In the experiments, the load cycling tests were performed with the operating conditions corresponding to the reference conditions. As this was carried out at a laboratory-scale and not an industry-scale, only five cycles were repeated. The set points corresponding to the load cycling test and the procedures followed are described in Appendix B. 3. Results This section presents the main results obtained in the experimental research performed. The cell performance corresponding to the reference conditions in Table 1is presented first, followed by the different tests that were carried out (temperature, pressure, and cathode stoichiometry). Finally, the load cycling test is presented. An in-depth discussion of the results is introduced in Section 4. The raw experimental data of this work is described in Appendix C. 3.1. Cell Performance under Reference Conditions The reference conditions were analysed first in order to provide a benchmark or reference curve for the cell performance. 3.1.1. Cell Conditioning Cell conditioning is a mandatory step before any measurement of the polarization curve, and it aims at ensuring that the cell voltage achieves a constant value before starting any subsequent test. Once the desired operating conditions are defined for the cell, the criterion of constant voltage is Processes 2020,8, 608 5 of 16 defined by monitoring the cell voltages during a specified period [ 11 ], where variations must be within a range of +/−5 mV during the last hour, before the finalization of the cell conditioning. In the experiments carried out, the conditioning step took around 3 h. The time evolution of the cell voltage during the conditioning step is depicted in Appendix D(Figure A2), showing the +/ − 5 mV criteria according to [11]. 3.1.2. Polarization Curves Once the cell conditioning step was finalized, the polarization curve experiment was started by following the set points indicated in Appendix A(Table A1). Both forward and backward curves were recorded, and the complete experiment was repeated three times in order to verify the reproducibility of the results. The resulting polarization curve corresponding to the reference conditions is depicted in Figure 3, where error bars were included to account for the three experiments carried out. The three polarization regions (activation, ohmic, mass transport) are clearly shown in the curve, and a hysteresis phenomenon can also be seen. The fact that the forward curve (increasing current) was below the backward curve (decreasing current) clearly indicates that there is a certain degree of dry-out in the cell [ 15 , 16 ], for the cell components and operating conditions specified. The polarization curve corresponding to the reference conditions was used as a benchmark case for the analysis of how deviations in the operating conditions affected the performance of the cell. Processes 2020, 8, x FOR PEER REVIEW 5 of 17 In the experiments carried out, the conditioning step took around 3 h. The time evolution of the cell voltage during the conditioning step is depicted in Appendix D (Figure D1), showing the +/−5 mV criteria according to [11]. 3.1.2. Polarization Curves Once the cell conditioning step was finalized, the polarization curve experiment was started by following the set points indicated in Appendix A (Table A1). Both forward and backward curves were recorded, and the complete experiment was repeated three times in order to verify the reproducibility of the results. The resulting polarization curve corresponding to the reference conditions is depicted in Figure 3, where error bars were included to account for the three experiments carried out. The three polarization regions (activation, ohmic, mass transport) are clearly shown in the curve, and a hysteresis phenomenon can also be seen. The fact that the forward curve (increasing current) was below the backward curve (decreasing current) clearly indicates that there is a certain degree of dry-out in the cell [15,16], for the cell components and operating conditions specified. The polarization curve corresponding to the reference conditions was used as a benchmark case for the analysis of how deviations in the operating conditions affected the performance of the cell. Figure 3. Polarization curve for reference conditions. Forward curve (increasing current) in the bottom; Backward curve (decreasing current) at the top. Error bars corresponding to three repetitions are included for each measurement point. 3.2. Temperature Tests The operating temperature of the cell is an important parameter that affects both performance and durability. Membrane degradation can be accelerated by high temperature and high temperature gradients, and heat management highly influences the water management in the cell, resulting in excessive flooding or dry-out, depending on the temperature conditions. The objective of the temperature tests was to assess the cell performance variations when operating at the temperature values indicated in Table 1. The resulting polarization curves corresponding to the temperature tests in Table 1 are depicted in Figure 4, together with the reference condition curve, for comparison. Figure 3. Polarization curve for reference conditions. Forward curve (increasing current) in the bottom; Backward curve (decreasing current) at the top. Error bars corresponding to three repetitions are included for each measurement point. 3.2. Temperature Tests The operating temperature of the cell is an important parameter that affects both performance and durability. Membrane degradation can be accelerated by high temperature and high temperature gradients, and heat management highly influences the water management in the cell, resulting in excessive flooding or dry-out, depending on the temperature conditions. The objective of the temperature tests was to assess the cell performance variations when operating at the temperature values indicated in Table 1. The resulting polarization curves corresponding to the temperature tests in Table 1are depicted in Figure 4, together with the reference condition curve, for comparison. Processes 2020,8, 608 12 of 16 dry-out of the cell. However, a too low stoichiometry caused a sudden drop in the cell voltage at higher current densities. No significant cell degradation was observed after the load cycling tests, although the low number of cycles carried out did not allow us to reach a final conclusion on the cell degradation for a final application. Author Contributions: Conceptualization, A.I. and J.G.; methodology, A.I.; formal analysis, B.R.-P., A.R.-C., R.V.-G., and A.I.; investigation, A.I., B.R.-P., A.R.-C., and R.V.-G.; resources, J.G.; data curation, B.R.-P., A.R.-C., and R.V.-G.; writing—original draft preparation, A.I.; writing—review and editing, A.I.; supervision, A.I. and J.G.; project administration, A.I. and J.G.; funding acquisition, A.I. and J.G. All authors have read and agreed to the published version of the manuscript. Funding: This research was funded by the Spanish Ministry of Science, Innovation, and Universities, grant number ENE2017-91159-EXP (bio-inspired designs for bipolar plates of PEM Fuel Cells with optimized water management) and by the Spanish Ministry of Economy and Competitiveness, grant number UNSE15-CE2962 (characterization and optimization of fuel cells for their integration in mobile and stationary applications). Acknowledgments: The authors kindly acknowledge Pablo Iranzo Pineda for the preparation and editing of Figures 1and 2. Conflicts of Interest: The authors declare no conflict of interest. Appendix A The polarization curve set points for the forward and backward curves defined for the experiments according to [11] is presented in Table A1. Table A1. Polarization curve set points (forward and backward curves) based on [11]. Set Point ID Current Density (A/cm2)Dwell Time (s) Data Acquisition Time (s) 1 0.00 60 30 2 0.02 60 30 3 0.04 60 30 4 0.06 60 30 5 0.08 60 30 6 0.10 60 30 7 0.20 200 30 8 0.30 200 30 9 0.40 200 30 10 0.60 200 30 11 0.80 200 30 12 1.00 200 30 13 1.20 200 30 14 1.00 200 30 15 0.80 200 30 16 0.60 200 30 17 0.40 200 30 18 0.30 200 30 19 0.20 200 30 20 0.10 60 30 21 0.08 60 30 22 0.06 60 30 23 0.04 60 30 24 0.02 60 30 25 0.00 60 30 Appendix B The complete test as defined in [ 12 ] consists of repeating the specified load cycles to the cell for 500 h (1400 cycles), which would correspond to a one year utilization of the vehicle, and 80 daily minutes. The cycle comprises periods of acceleration, deceleration, and constant speed. Processes 2020,8, 608 13 of 16 Each test must start defining the desired operating conditions and performing the required conditioning step [ 11 ]. After this, the cell performance at the Beginning of Test (BoT) is evaluated by measuring a polarization curve (according to the set points indicated in Appendix A). The load cycles defined in Table A2 are then carried out. The protocol states 50 consecutive cycles (5 cycles were carried out in this work, as the test was intended for laboratory-scale tests). After the first load cycling block, a new polarization curve must be measured and compared to the one recorded at BoT, in order to measure the degradation rate ( µ V/h). The 50 cycling steps and polarization curve recordings are repeated until the 1400 driving cycles are completed [11]. The dynamic load cycling test set points defined for the experiment according to [ 11 ] are presented in Table A2. Table A2. Fuel cell dynamic load cycle set points, based on [11]. Step Time (s) Dwell (s) Load (%) 1 0 15 0.0 2 15 13 12.5 3 28 33 5.0 4 61 35 26.7 5 96 47 5.0 6 143 20 41.7 7 163 25 29.2 8 188 22 5.0 9 210 13 12.5 10 223 33 5.0 11 256 35 26.7 12 291 47 5.0 13 338 20 41.7 14 358 25 29.2 15 383 22 5.0 16 405 13 12.5 17 418 33 5.0 18 451 35 26.7 19 486 47 5.0 20 533 20 41.7 21 553 25 29.2 22 578 22 5.0 23 600 13 12.5 24 613 33 5.0 25 646 35 26.7 26 681 47 5.0 27 728 20 41.7 28 748 25 29.2 29 773 68 5.0 30 841 58 58.3 31 899 82 41.7 32 981 85 58.3 33 1066 50 83.3 34 1116 44 100 35 1160 21 0.0 According to protocol [ 11 ], the 100% load value was obtained by averaging the two current values (forward and backward curves) corresponding to 0.65 V. This was done (Figure A1) with a result of 0.675 A/cm2(corresponding to 33.75 A). Processes 2020,8, 608 14 of 16 Processes 2020, 8, x FOR PEER REVIEW 15 of 17 Figure B2. Method for identifying the 100% load in a polarization curve, as described in [11]. The 100% load value is obtained by averaging the two current values (in red) corresponding to the forward and backward curves (in blue) at 0.65 V. Appendix C The raw experimental data of this work is available in the journal Data, Ramírez-Cruzado et al. [27]. Appendix D The time evolution of the cell voltage during the conditioning step is depicted in Figure D1, showing the +/−5 mV criteria, according to [11]. Figure D1. Evolution of the cell voltage during the cell conditioning step. The +/−5 mV range is marked in red. References 1. Wu, J.; Yuan, X.Z.; Martin, J.J.; Wang, H.; Zhang, J.; Shen, J.; Wu, S.; Merida, W. A review of PEM fuel cell durability: Degradation mechanisms and mitigation strategies. J. Power Sources 2008, 184, 104–119. Figure A1. Method for identifying the 100% load in a polarization curve, as described in [ 11 ]. The 100% load value is obtained by averaging the two current values (in red) corresponding to the forward and backward curves (in blue) at 0.65 V. Appendix C The raw experimental data of this work is available in the journal Data, Ram í rez-Cruzado et al. [ 27 ]. Appendix D The time evolution of the cell voltage during the conditioning step is depicted in Figure A2, showing the +/−5 mV criteria, according to [11]. Processes 2020, 8, x FOR PEER REVIEW 15 of 17 Figure B2. Method for identifying the 100% load in a polarization curve, as described in [11]. The 100% load value is obtained by averaging the two current values (in red) corresponding to the forward and backward curves (in blue) at 0.65 V. Appendix C The raw experimental data of this work is available in the journal Data, Ramírez-Cruzado et al. [27]. Appendix D The time evolution of the cell voltage during the conditioning step is depicted in Figure D1, showing the +/−5 mV criteria, according to [11]. Figure D1. Evolution of the cell voltage during the cell conditioning step. The +/−5 mV range is marked in red. References 1. 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