www.DLR.de • Chart 1

> Oscillations in Polymer Electrolyte Fuel Cells > Conapice2012 > Daniel Garcia > 21, 22 and 23 November

Oscillations in PEM fuel cells at low cathode humidification D. Garcia Sanchez, K.A. Friedrich. German Aerospace Center, Institute of Technical Thermodynamics Stuttgart / Germany

> Oscillations in Polymer Electrolyte Fuel Cells > Conapice 2012 > Daniel Garcia >21, 22 and 23 November

DLR German Aerospace Center

 DNW

n Hamburg Bremen- n n Neustrelitz Trauen n  DNW n HamburgBerlin- n  DNW n Hamburg Bremenn n Braunschweig n Neustrelitz Bremenn n Neustrelitz Trauen n Trauen n Berlin- n Braunschweig n Berlin- n BraunschweignnGöttingen

Campos de investigación: Tecnología Espacial Aeronáutica Energía Transporte Seguridad

n Köln n Göttingen n Bonn n Göttingen ETW  n Köln Köln ETW nn Bonn n Bonnn Lampoldshausen ETW 

6700 empleados en 33 institutos de investigación

n Stuttgart n Lampoldshausen n Lampoldshausen n Oberpfaffenhofen n Stuttgart Weilheim n n Stuttgart n Oberpfaffenhofen n Oberpfaffenhofen Weilheim n Weilheim n

www.DLR.de • Chart 3

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Resumen  Investigación de la fenomenología oscilatoria bajo condiciones de deshidratación en el cátodo:  Medidas de las distribuciones de densidades de corriente en el proceso.  Investigación del origen del proceso oscilatorio (ignición). -Referencias de trabajos sobre las oscilaciones PEFC: J. R. Atkins, S. C. Savett, and S. E. Creager, Journal of Power Sources 128:201 (2004) J. F. Moxley, S. Tulyani, and J. B. Benziger, Chemical Engineering Science 58:4705 (2003). J. Benziger, E. Chia, J. F. Moxley, and I. G. Kevrekidis, Chemical Engineering Science 60:1743 (2005). D. Garcia Sanchez, D. Diaz, R. Hiesgen, I. Wehl, and K.A. Friedrich, J. Electroanal. Chem. 649 (2010) 219-231.

www.DLR.de • Chart 4

> Oscillations in Polymer Electrolyte Fuel Cells > Conapice 2012 > Daniel Garcia >21, 22 and 23 November

Placa Bipolar Segmentada  Medidas de las distribuciones de densidades de corriente, temperaturas e impedancias  Tecnología de circuitos integrados

4 mm

www.DLR.de • Chart 5

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Distribución de flujos, curva de polarización de la MEA utilizada (IONPOWER) 1.0

Cell Voltage / V

0.8 0.6

T = 70 °C P = 1.5 bar H2 = 1.5 Air = 2

0.4 0.2 0.0 0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

Current Density / A cm

Configuración A (co-flow): Configuración B (counter flow):

Ánodo: Entrada G1 Salida A7 Cátodo: Entrada G1 Salida A7 Ánodo: Entrada A1 Salida G7 Cátodo: Entrada G1 Salida A7

-2

1.0

1.2

www.DLR.de • Chart 6

> Oscillations in Polymer Electrolyte Fuel Cells > Conapice 2012 > Daniel Garcia >21, 22 and 23 November

Oscillations in PEM fuel cells at low cathode humidification Humedad relativa: Cátodo=0%, Ánodo =152% (condiciones de condensación)

Nivel de alta respuesta

Nivel de baja respuesta

Voltaje:500mV; Flujos H2=180ml/min Air=560ml/min Co-flow

www.DLR.de • Chart 7

> Oscillations in Polymer Electrolyte Fuel Cells > Conapice 2012 > Daniel Garcia >21, 22 and 23 November

Oscillations in PEM fuel cells at low cathode humidification Descripción del fenómeno: Detalle de una oscilación:

- Voltaje: 500mV, Cátodo 660ml min-1, Ánodo 200 ml min-1; Tcell: 70°C; counter flow

www.DLR.de • Chart 8

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Oscillations in PEM fuel cells at low cathode humidification Distribuciones de densidades de corriente en dos puntos de la oscilación Counter Flow

Espectro de impedancia en dos puntos de operación Z' / m -20 -15 500 Hz

-10 599 mV - 3.199 A

0

Z'' / m

-5

599 mV - 17.088 A 500 Hz R=5.3 mOhm

R=28 mOhm

1.2 kHz

30 kHz

5 10

5

10

15

20

25

- Voltaje: 500mV, Cátodo 660ml min-1, Ánodo 200 ml min-1; Tcell: 70°C; counter flow

30

35

www.DLR.de • Chart 9

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Oscillations in PEM fuel cells at low cathode humidification

Nivel de alta respuesta.  Distribución uniforme de densidades de corriente.  Repuesta similar a la del estado con valores de hidratación altos en ambas caras (área total activa).  Tiempo característico asociado al nivel de alta respuesta menor que el asociado al nivel de baja, (dependiente de las condiciones experimentales).

Área activa

www.DLR.de • Chart 10

> Oscillations in Polymer Electrolyte Fuel Cells > Conapice 2012 > Daniel Garcia >21, 22 and 23 November

Oscillations in PEM fuel cells at low cathode humidification

Nivel de baja respuesta.  Distribución de densidades de corriente no uniforme.

 Toda la intensidad de corriente se produce en una pequeña región cerca de la entrada del ánodo.  Desactivación del área activa.

 Tiempo característico asociado mayor que el asociado al nivel de alta, (dependiente de las condiciones experimentales)

Área activa

Área no activa

www.DLR.de • Chart 11

> Oscillations in Polymer Electrolyte Fuel Cells > Conapice 2012 > Daniel Garcia >21, 22 and 23 November

Oscillations in PEM fuel cells at low cathode humidification Transición de la respuesta del nivel de alta al de baja:  Desactivación progresiva del área activa (deshidratación).  Lleva asociada un tiempo mayor que la transición baja-alta.

20 A

9.5 A

www.DLR.de • Chart 12

> Oscillations in Polymer Electrolyte Fuel Cells > Conapice 2012 > Daniel Garcia >21, 22 and 23 November

Oscillations in PEM fuel cells at low cathode humidification Efecto del flujo de aire en el cátodo: Ánodo sobresaturado; humedad relativa en el cátodo: 0%. Temperatura de la monocelda: 70°C. Flujo del ánodo: 261 ml/min. Voltaje: 600mV

Flujo del cátodo 832 ml/min Flujo del cátodo 1662 ml/min

www.DLR.de • Chart 13

> Oscillations in Polymer Electrolyte Fuel Cells > Conapice 2012 > Daniel Garcia >21, 22 and 23 November

Oscillations in PEM fuel cells at low cathode humidification Transición de la respuesta del nivel de baja al de alta respuesta “ignición”  Reactivación de área activa (re-hidratación).  Lleva asociado un tiempo menor que la transición alta-baja.

9.5 A

20 A

www.DLR.de • Chart 14

> Oscillations in Polymer Electrolyte Fuel Cells > Conapice 2012 > Daniel Garcia >21, 22 and 23 November

Oscillations in PEM fuel cells at low cathode humidification Efecto de la configuración de las placas bipolares: flujos Counter-flow co-flow

Counter flow

Co- flow

www.DLR.de • Chart 15

> Oscillations in Polymer Electrolyte Fuel Cells > Conapice 2012 > Daniel Garcia >21, 22 and 23 November

Oscillations in PEM fuel cells at low cathode humidification Comparación de la transición entre niveles bajo-alto de respuesta co-flow counter- flow Ánodo Cátodo

Ánodo

Cátodo

Cátodo

Ánodo

Co-Flow

Counter Flow

www.DLR.de • Chart 16

> Oscillations in Polymer Electrolyte Fuel Cells > Conapice 2012 > Daniel Garcia >21, 22 and 23 November

Oscillations in PEM fuel cells at low cathode humidification

Voltaje / V

Dependencia de la frecuencia de la oscilación con la humedad relativa del ánodo.

Tiempo / s

Flujos: Ánodo: 209 ml/min Cátodo: 664 ml/min Humedad relativa: Cátodo: 0% Ánodo: variable

www.DLR.de • Chart 17

> Oscillations in Polymer Electrolyte Fuel Cells > Conapice 2012 > Daniel Garcia >21, 22 and 23 November

Oscillations in PEM fuel cells at low cathode humidification

Corriente / A

Dependencia de la frecuencia de la oscilación con el flujo del ánodo.

Tiempo / s

Flujos: Ánodo: 209 ml/min, 450 ml/min Cátodo: 664 ml/min Humedad relativa: Cátodo: 0% Ánodo: 100%

www.DLR.de • Chart 18

> Oscillations in Polymer Electrolyte Fuel Cells > Conapice 2012 > Daniel Garcia >21, 22 and 23 November

Oscillations in PEM fuel cells at low cathode humidification

Voltaje / mV

Flujo vs humedad relativa con la misma cantidad neta de agua en ánodo

Tiempo / s

Humedad relativa cátodo: 0% Flujo cátodo: 330mlmin Cantidad neta de agua en el ánodo: 3 g/h Humedad relativa ánodo: (Azul: 159 %, Rojo: 100%) Flujo ánodo: (Azul: 100ml/min, Rojo: 209ml/min).

www.DLR.de • Chart 19

> Oscillations in Polymer Electrolyte Fuel Cells > Conapice 2012 > Daniel Garcia >21, 22 and 23 November

Oscillations in PEM fuel cells at low cathode humidification

/ mbar Presiones Pressure / mbar

Comparación de las presiones en la entrada y salida del ánodo en el momento de la ignición

Time Tiempo Pressure entrace anode Pressure exit anode

Pressure entrace cathode

Pressure control anode

Pressure exit cathode

Pressure control cathode

Bloqueo parcial en canal del ánodo.

www.DLR.de • Chart 20

> Oscillations in Polymer Electrolyte Fuel Cells > Conapice 2012 > Daniel Garcia >21, 22 and 23 November

Oscillations in PEM fuel cells at low cathode humidification Interpretación de la transición del nivel de Baja al nivel de Alta respuesta “ignición” Paralización Nivel de baja Respuesta

de la desactivación (Equilibrio)

Deshidratación (desactivación del área activa)

Presencia de agua en dos fases Bloqueo del canal del ánodo

Reactivación de la corriente

Nivel de alta respuesta

www.DLR.de • Chart 21

> Oscillations in Polymer Electrolyte Fuel Cells > Conapice 2012 > Daniel Garcia >21, 22 and 23 November

Oscillations in PEM fuel cells at low cathode humidification

Entrada ánodo(A1) Entrada cátodo(G1) Densidades de corriente

Salida cátodo

Salida ánodo

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> Oscillations in Polymer Electrolyte Fuel Cells > Conapice 2012 > Daniel Garcia >21, 22 and 23 November

Oscillations in PEM fuel cells at low cathode humidification

www.DLR.de • Chart 26

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Conclusiones - En ausencia de humedad relativa en cátodo, existe una fluctuación de la respuesta ente dos valores uno de alta y uno de baja respuesta. - Ambos estados tienen distribuciones de densidades de corriente muy diferentes. - Los tiempos asociados a las correspondientes transiciones son alta mente dependientes de las condiciones experimentales. - La amplitud de las oscilaciones esta asociada con el contenido de agua de la membrana. - La existencia de dos fases de agua en el canal se postula como la causa fundamental del origen de la ignición.

www.DLR.de • Chart 27

> Oscillations in Polymer Electrolyte Fuel Cells > Conapice 2012 > Daniel Garcia >21, 22 and 23 November

Gracias por su atención