El Laboratorio de Investigación en Fluidodinámica y Tecnologías de la Combustión (LIFTEC), es un centro mixto en el que participan la Agencia Estatal Consejo Superior de Investigaciones Científicas CSIC y la Universidad de Zaragoza.
El Instituto se dedica al estudio de fenómenos relacionados con la Mecánica de Fluidos, con particular aplicación a temas medioambientales, incluyendo técnicas experimentales.
Sus principales líneas de investigación son:
| Optimización del diseño y fabricación de placas bipolares |
| Desarrollo de procesos y optimización del diseño mecánico de las pilas |
| Simulación numérica de procesos en pilas PEM |
El Grupo de Pilas del LIFTEC centra sus líneas de investigación en la mejora del diseño de los diferentes componentes, sistemas y procesos con el objetivo de fabricar pilas de tipo combustible que emplean como electrolito una membrana polimérica de intercambio de protones (conocidas como de tipo PEM) tanto de baja como de alta temperatura (hasta 160°C). Para ello se emplean tanto técnicas experimentales como códigos numéricos bi- y tridimensionales desarrollados íntegramente por miembros del grupo que son capaces de simular los complejos procesos que tienen lugar en el interior de estos dispositivos.
El principal objetivo es optimizar el diseño, así como mejorar y simplificar los procesos necesarios para fabricar de pilas de combustible de diferentes potencias y sus componentes. De igual forma, el grupo tiene las capacidades para llevar a cabo la optimización de los diferentes subsistemas, la creación de nuevas instalaciones experimentales para su evaluación y caracterización electroquímica, y la investigación de los procesos relacionados con la gestión de agua y del calor.
Las tres principales líneas de investigación principales del grupo son:
Optimización del diseño y fabricación de placas bipolares: la cual incluye el estudio de nuevos materiales y análisis de durabilidad, el diseño de nuevas geometrías de flujo y optimización de los sistemas de distribución de gases en las placas bipolares, y el estudio de la generación y gestión del agua en el interior de las celdas.
Desarrollo de procesos y optimización del diseño mecánico de las pilas: dentro de la cual se estudia la optimización de la formación de los sistemas membrana-electrodos (MEAs), el desarrollo de sistemas de sellado, el desarrollo y optimización de sistemas de refrigeración más eficaces, la optimización de los procesos de montaje y cierre de pilas de media potencia, así como la evaluación y caracterización electroquímica de estos dispositivos electroquímicos.
Simulación numérica de procesos en pilas PEM: dentro de esta línea se estudia de forma precisa y mucho más barata que empleando métodos experimentales la influencia de diferentes parámetros de operación y fabricación en el comportamiento de las pilas PEM.
| Título: Fluidodinámica de una pila de combustible (ENE2005-09124-C04-03/ALT) Entidad financiadora: Ministerio de Educación y Ciencia Duración: 2005-2008 Investigador Principal: Félix Barreras Toledo Subvención: 81.158 € |
| Título: Desarrollo de componentes más eficientes para pilas de combustible de metanol directo (PM042/2007) Entidad financiadora: Gobierno de Aragón (Dpto Ciencia, Tecnol. y Universidad) Duración: 2007-2009 Investigador Principal: Mª Jesús Lázaro (Responsable LIFTEC: Félix Barreras) Subvención: 57.120 € (LITEC: 19.040 €) |
| Título: ODISEA: Optimización del diseño y fabricación de una pila de combustible polimérica de media potencia y alta eficiencia (ENE2008-06697-C04-01/CON) Entidad financiadora: Ministerio de Ciencia e Innovación Duración: 2008-2009 Investigador Principal: Félix Barreras Toledo Subvención: 10.890 € |
| Título: Identificación de desarrollos y las necesidades tecnológicas en las tecnologías del hidrógeno y pilas de tipo PEM en Aragón (Necatech) Entidad financiadora: Fundación del Hidrógeno de Aragón Duración: 2008 Investigador Principal: Félix Barreras Toledo Subvención: 4.763 € |
| Título: Vehículo-herramienta multipropósito teleoperado con tracción integral y sistema de propulsión basado en pila de combustible (CIT-370000-2008-11) Entidad financiadora: Ministerio de Ciencia e Innovación Duración: 2008-2010 Investigador Principal: Mario Maza Frechín (Responsable LIFTEC: Félix Barreras) Subvención: 658.012 € |
| Título: Optimización del diseño fluidodinámico y mecánico de un sistema de pila PEM de alta temperatura (ENE2009-14750-C05-02/CON) Entidad financiadora: Ministerio de Ciencia e Innovación Duración: 2008-2010 Investigador Principal: Félix Barreras Subvención: 94.864 € |
| Título: Desarrollo tecnológico aplicado a las pilas de hidrógeno de alta temperatura con membrana intercambio de protones Entidad financiadora: VEA Qualitas, S.L. Duración: 2009 Investigador Principal: Félix Barreras Subvención: 5.684 € |
| Título: Fabricación de un prototipo de pila de hidrógeno de alta temperatura Entidad financiadora: VEA Qualitas, S.L. Duración: 2010 Investigador Principal: Félix Barreras Subvención: 10.974 € |
| Título: Organización del Congreso "III Iberian Symposium on Hydrogen, Fuel Cells and Advanced Batteries HYCELTEC 2011" (ENE2010-11025-E/ALT) Entidad financiadora: Ministerio de Ciencia e Innovación Duración: 2010-2011 Investigador Principal: Félix Barreras Subvención: 13.000 € |
| Título: Diseño y fabricación de una pila PEM ultraligera de media potencia para unidad de energía de un UAV (ENE2012-38642-C02-01) Entidad financiadora: Ministerio de Economía y Competitividad Duración: 2013-2015 Investigador Principal: Félix Barreras Subvención: 59.560 € |
F. Barreras, A. Lozano, L. Valiño, C. Marin, A. Pascau, “Flow Distribution in a Bipolar Plate of a PEM Fuel Cell: Experiments and Numerical Simulation Studies”, Journal of Power Sources, vol. 144 (1): 54-66, 2005
A. Lozano, F. Barreras, L. Valiño, C. Marin, “Imaging of Gas Flow through a Porous Medium from a Fuel Cell Bipolar Plate by Laser-induced Fluorescence”, Experiments in Fluids, vol. 42 (2): 301-310 (2007)
F. Barreras, A. Lozano, L. Valiño, R. Mustata, C. Marín, “Fluid dynamics performance of different bipolar plates. Part I: velocity and pressure fields”, Journal of Power Sources, vol. 175, 841-850, 2008
A. Lozano, F. Barreras, L. Valiño, R. Mustata, “Fluid dynamics performance of different bipolar plates. Part II: flow through the diffusion layer”, Journal of Power Sources, vol. 179 (2), 711-722, 2008
A.M. López, F. Barreras, A. Lozano, J.A. García, L. Valiño, R. Mustata, “Comparison of Water Management between Two Bipolar Plate Flow-Field Geometries in Proton Exchange Membrane Fuel Cells at Low-density Current Range”, Journal of Power Sources, vol. 192, 94-99, 2009
R. Mustata, L. Valiño, F. Barreras, M.I. Gil, A. Lozano, “Study of the Distribution of Air Flow in a Proton Exchange Membrane Fuel Cell Stack”, Journal of Power Sources, vol. 192, 185-189, 2009
A.M. López, F. Barreras, A. Lozano, L. González, J.A. García, L. Valiño, R. Mustata, “Experimental Study of the Durability of two different Coatings for Aluminum-based Bipolar Plates Used in PEM Fuel Cell Stack”, Journal of New Materials for Electrochemical Systems, vol.12 (2-3), 97-102, 2009
J. Barranco, F. Barreras, A. Lozano, A. M. Lopez, V. Roda, J. Martin, M. Maza, G. G. Fuentes, E. Almandoz, “Cr and Zr/Cr Nitride CAE-PVD Coated Aluminum Bipolar Plates for Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cells”, Intl. J. of Hydrogen Energy, vol.35 (20): 11489 - 11498 (2010)
J. Barranco, F. Barreras, A. Lozano, M. Maza, “Influence of CrN-coating Thickness on the Corrosion Resistance Behaviour of Aluminium-based Bipolar Plates”, J. of Power Sources, vol.196 (9): 044103-1 044103-7 (2011)
F. Barreras, A. M. Lopez, A. Lozano, J. Barranco, “Experimental Study of the Pressure Drop in the Cathode Side of Air-forced Open-cathode Proton Exchange Membrane Fuel Cell”, Intl. J. of Hydrogen Energy, vol. 36 (13): 7612-7620 (2011)
F. Barreras, A. Lozano, R. Mustata, L., Valiño, “Foreword. III Iberian Symposium on Hydrogen, Fuel Cells and Advanced Batteries, HYCELTEC-2011”, Intl. J. of Hydrogen Energy, vol. 37 (8): 6976-6977 (2012)
A. Eguizábal, J. Lemus, V. Roda; M. Urbiztondo, F. Barreras, M. P. Pina, “Nanostructured electrolyte membranes based on zeotypes, protic ionic liquids and porous PBI membranes: preparation, characterization and MEA testing”, Intl. J. of Hydrogen Energy, vol. 37 (8): 7221-7234 (2012)
A.M. Lopez, J. Barroso, V. Roda, J. Barranco, A. Lozano, F. Barreras, “Design and development of the cooling system of a 2 kW nominal power open-cathode PEM fuel cell”, Intl. J. of Hydrogen Energy, vol. 37 (8): 7289-7298 (2012)
F. Barreras, A. Lozano, A.M. López-Sabirón “Response to the Comments on experimental study of the pressure drop in the cathode side of air-forced open-cathode proton exchange membrane fuel cells by Dejan Brkić”, Intl. J. of Hydrogen Energy, vol. 37 (14): 10965 (2012)
F. Barreras, M. Maza, A. Lozano, S. Báscones, V. Roda, J.E. Barranco, M. Cerqueira, A. Vergés, “Design and development of a multipurpose utility AWD electric vehicle with a hybrid powertrain based on PEM fuel cells and batteries”, Intl. J. of Hydrogen Energy, vol. 37 (20): 15367-15379 (2012)
F. Barreras, A. Lozano, J. Barroso, V. Roda, M. Maza, “Theoretical model for the optimal design of air cooling systems of polymer electrolyte fuel cells. Application to a high-temperature PEMFC”, Fuel Cells, vol. 13 (2): 227-237 (2013)
| Inventores: Félix Barreras, Antonio Lozano, Luis Valiño, Carlos Marín Título: Placa bipolar para distribución homogénea del flujo en pilas de combustible N. de solicitud: P200602547 Fecha de prioridad: 11 de octubre de 2006 Fecha concesión: 21 de diciembre de 2009 (pub. 08 de enero de 2010) Nº Patente: ES 2 315 126 B1 Entidad titular: Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC) |
| Inventores: Félix Barreras, Antonio Lozano, Luis Valiño, Carlos Marín Título: Bipolar plate for uniform flow distribution in fuel cells Fecha de prioridad: 10 de abril de 2008 Nº Patente: WO 2008/040835 A1 Entidad titular: Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC) |
| Inventores: Eduardo Lincheta, Félix Barreras, Antonio Lozano, Luis Valiño, Radu Mustata Título: Placa de pila de combustible con geometría de flujo de “espina de pez” N. de solicitud: P201031092 Fecha de prioridad: 16 de julio de 2010 Fecha concesión: 5 de marzo de 2013 Nº Patente: ES 2 397 144 A1 Entidad titular: Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC) |
| Inventores: Eduardo Lincheta, Antonio Lozano, Félix Barreras, Luis Valiño, Radu Mustata Título: Placa de pila de combustible con varias áreas de reacción química N. de solicitud: P201031093 Fecha de prioridad: 16 de julio de 2010 Fecha concesión: - Nº Patente: - Entidad titular: Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC) |
| Inventores: Félix Barreras, Antonio Lozano, Vicente Roda Título: Pila de combustible modular por bloques N. de solicitud: P201330888 Fecha de prioridad: 14 de junio de 2013 Fecha concesión: - Nº Patente: - Entidad titular: Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC) |
Las placas bipolares son unos de los elementos mecánicos de estos dispositivos y las responsables de más del 80% del peso en un stack. Asimismo, son las encargadas de darle la necesaria estabilidad mecánica a las diferentes celdas que lo componen, separándolas físicamente y actuando como conectores eléctricos entre ellas. Mediante las geometrías de flujo, también aseguran una correcta distribución de los reactantes sobre la capa catalítica y facilitan la evacuación del agua generada durante la reacción electroquímica al exterior. El calor generado en las capas catalíticas catódicas también por reacción se intercambia al exterior por medio de estos elementos. Todo ello obliga a la realización de un buen diseño de la geometría de canales y una adecuada selección de los materiales.
El grafito es el material más empleado en las pilas de combustible de tipo PEM comerciales. Es un material muy ligero, pero con una limitada conductividad térmica y eléctrica en el plano perpendicular a las zonas de reacción. Por eso, el uso de placas metálicas ofrece ciertas ventajas en este sentido. Sin embargo, los metales son más pesados que el grafito y susceptibles de degradación en ambientes ácidos con humedad.
En el LIFTEC se estudia el comportamiento de diferentes recubrimientos superficiales durante su uso en placas metálicas de baja densidad como alternativa a las de grafito, evaluando su durabilidad mediante ensayos prolongados en condiciones reales de funcionamiento. Para llevar a cabo una evaluación de la degradación de las placas se analizan mediante imágenes de alta resolución, o microscopía SEM-EDX, estudiando la formación de picaduras o fracturas en el recubrimiento. También se aplica esta misma técnica a las MEAs para detectar la migración de iones metálicos desde las placas hacia la capa difusora o catalítica.
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Daño observado en un nervio de la zona de reacción de una placa bipolar de aluminio recubierta con níquel químico |
Imagen SEM de una fisura en el recubrimiento bi-capa de nitruro de cromo y zirconio depositado por PVD en placas de aluminio |
Análisis EDX de una MEA donde se observa la migración de iones Al y Ni procedentes de la superficie de una placa bipolar
El reparto uniforme del flujo de los gases reactantes desde los colectores principales de la pila hacia cada una de las placas, así como su distribución homogénea sobre toda el área de las capas catalíticas es fundamental para el óptimo funcionamiento de las pilas. Por este motivo, los protocolos de dimensionamiento de canales, así como la propia geometría de flujo se convierten en aspectos básicos a tener en cuenta para el diseño de las placas bipolares.
El grupo dispone de varios códigos bi- y tridimensionales que permiten la optimización del diseño de las geometrías de flujo de las placas bipolares y los colectores generales que se emplean para distribuir los gases reactantes a cada celda. Estos códigos se basan en resolver numéricamente las ecuaciones de Navier-Stokes (NS), que describen el movimiento de fluidos incompresibles, newtonianos y laminares como el de los gases en las pilas PEM en cátodos y ánodos.
Resultados de simulación numérica de la distribución del flujo de gases reactantes a cada celda de un stack desde los colectores generales
El grado de complejidad se ha ido incrementando con el paso del tiempo, y se han incorporado la descripción de otros complejos procesos como el transporte de gases, protones e iones a través de medios porosos (capas difusoras, catalíticas y membrana conductora de protones), la formación, condensación y manejo del agua de la pila, la transferencia de calor, etc. (ver línea 3).
Considerando los resultados obtenidos en las simulaciones numéricas, el grupo ha patentado dos nuevas geometrías de flujo una “en cascada” y otra de tipo “espina de pez”. Los resultados experimentales que se han obtenido son muy buenos, sobre todo si se comparan con los que se logran empleando geometrías de tipo serpentín, serpentín-paralelo o con canales rectos paralelos.
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| Placas bipolares con las dos geometrías de flujo diseñadas y patentadas por el grupo: “en cascada” (izquierda) y de “espina de pez” (derecha) | |
El agua es fundamental para la conducción protónica de las membranas poliméricas en las pilas PEM de baja temperatura. Sin embargo, el agua presente en el interior de la pila afecta también al transporte y distribución de gases a través de los canales de flujo, la capa difusora y la capa catalítica. Mientras que un alto contenido en agua favorece la conductividad protónica en la membrana, su presencia en exceso en forma líquida supone una obstrucción de los poros o canales que dificulta la transferencia de reactantes. De hecho, el fenómeno conocido como encharcamiento, suele ser más severo en el cátodo que el ánodo, debido a la generación in situ de agua que dificulta la difusión del oxígeno (o aire) hacia los electrodos.
En este sentido el LITEC se centra en el análisis experimental mediante monoceldas en funcionamiento real de la forma en que se genera y maneja el agua por diversas geometrías de flujo mediante visualización directa con cámaras de CCD. De ésta forma es posible detectar zonas de condensación o encharcamiento que impiden la correcta distribución del gas en la capa difusora y mejorar los diseños de canal o crear estrategias para la extracción del agua durante el funcionamiento.
Placa bipolar transparente usada para las visualizaciones con cámara de CCD
Monocelda empleada para el ensayo en funcionamiento real y evaluación de la generación de agua mediante visualización directa
Imagen tomada con cámara de CCD del cátodo de una monocelda durante el ensayo donde se observa la condensación del agua en la superficie de la placa
