Pilas de combustible en automoción: caracterización experimental en operación dinámica del “New European Driving Cycle” (NEDC)

1 ÍNDICE: Índice de figuras. Índice de tablas. 1-Introducción y objetivos: 1.1-Transición energética y descarbonización. 1.2- Hidrógeno 1.3-Objetivos 2-Pilas de combustible: 2.1- Características generales de las pilas de combustible. 2.2- Tipos de pilas de combustible. 3- Descripción del banco de ensayos y pila de combustible: 3.1- Aspectos generales. 3.2- Especificaciones técnicas generales. 3.3- Componentes y subsistemas del banco de ensayo. 3.3.1- Sistema de suministro de combustible. 3.3.2- Sistema de suministro de oxidante. 3.3.3- Sistema de suministro de Nitrógeno. 3.3.4- Sistema de suministro de agua desionizada. 3.4- Carga electrónica. 3.5- Pila de combustible: decir algo sobre el elemento que estoy ensayando. 4-Descripción de la metodología 4.1- NEDC: Adaptación de la pila de combustible. 4.2- Emisiones NEDC 4.3- Protocolo de ensayos JRC/EC Dpto. de Ingeniería Energética Escuela Técnica Superior de Ingeniería Universidad de Sevilla Sevilla, 2020 Trabajo Fin de Grado Grado en Ingeniería de Tecnologías Industriales Pilas de combustible en automoción: caracterización experimental en operación dinámica del “New European Driving Cycle” (NEDC) Autor: Blanca Ramírez Peña Tutor: José Julio Guerra Macho Co-tutor: Alfredo Iranzo Paricio 2 3 Trabajo Fin de Grado Grado en Ingeniería de Tecnologías Industriales Pilas de combustible en automoción: caracterización experimental en operación dinámica del “New European Driving Cycle” (NEDC) Autor: Blanca Ramírez Peña Tutor: José Julio Guerra Macho Co-tutor: Alfredo Iranzo Paricio Dpto. de Ingeniería Energética Escuela Técnica Superior de Ingeniería Universidad de Sevilla Sevilla, 2020 4 5 Trabajo Fin de Grado: Pilas de combustible en automoción: caracterización experimental en operación dinámica del “New European Driving Cycle” (NEDC) Autor: Blanca Ramírez Peña Tutor: Cotutor: José Julio Guerra Macho Alfredo Iranzo Paricio El tribunal nombrado para juzgar el Trabajo arriba indicado, compuesto por los siguientes miembros: Presidente: Vocales: Secretario: Acuerdan otorgarle la calificación de: Sevilla, 2020 6 A mi familia A mis amigas 7 8 Agradecimientos: En primer lugar, agradecer a Alfredo Iranzo Paricio que me ha ayudado muchísimo a cumplimentar los objetivos propuestos al inicio de la realización del trabajo. En segundo lugar, gracias a mi familia por darme la oportunidad de estudiar en esta prestigiosa Escuela de Ingenieros, en la que he aprendido mucho sobre ingeniería y resolución de problemas en la industria, lo que espero me ayuda a encarar de la mejor forma posible la vida profesional. 9 16 Índice de tablas: Tabla 1: Megavatios de pilas de combustible por región de adopción. [2] ................................ 17 Tabla 2: Megavatios de pilas de combustible por aplicación de las pilas de combustible. [2] ... 23 Tabla 3: Tipos de pilas de combustible y algunas de sus principales características [11] .......... 26 Tabla 4: Principales especificaciones de la carga electrónica integrada en el banco de ensayos. ..................................................................................................................................................... 36 Tabla 5: Especificaciones vehículo ensayado para obtener las emisiones contaminantes. ....... 39 Tabla 6: Puntos de densidad de corriente definidos en protocolo JRC [16] para medida de la curva de polarización. ................................................................................................................. 60 Tabla 7: Densidad de corriente para 0.65V en las tres curvas de polarización. ......................... 63 Tabla 8: Propiedades de los puntos de los ciclos. ....................................................................... 74 17 1-INTRODUCCIÓN Y OBJETIVOS: 1.1- Transición energética y descarbonización: La dependencia energética que la sociedad actual ha desarrollado muestra evidentes necesidades de desarrollo e innovación. Cada vez se demanda más energía, lo que hace necesario la optimización de las fuentes de energía que se utilizan a día de hoy así como el estudio e investigación de nuevas fuentes. Actualmente, no se ha alcanzado la sostenibilidad a la hora de producir energía y esto genera grandes problemas para la población mundial y las generaciones futuras. Debido a la globalización de estos problemas, en Diciembre de 2015 más de 150 líderes de países se reunieron ya que la preocupación de la sociedad por el medio ambiente era cada vez más acusada. En esa reunión, se vio la inminente necesidad de actuar para frenar el cambio climático. Como resultado de aquel encuentro, se firmó el llamado “Acuerdo de París” [1] con el compromiso de mantener el aumento de la temperatura media mundial por debajo de 2°C. Dicho acuerdo significó un punto de inflexión en la lucha contra el cambio climático Aproximadamente tres años más tarde (2018), el Grupo Intergubernamental de Expertos sobre el cambio climático (IPCC) de la Organización de Naciones Unidas (ONU) evidenció el objetivo propuesto por el Acuerdo de París y proponía acotar el objetivo a 1,5°C. En la tabla 1 se muestra el desarrollo temporal desde el año 2015 al 2019 de la tecnología del hidrógeno en diferentes continentes. Tabla 1: Megavatios de pilas de combustible por región de adopción. [2] Megavatios 2015 2016 2017 2018 2019 Europa 27.7 27.4 38.9 41.2 68.6 América del Norte 108.4 213.6 331.8 425.3 384.1 Asia 159.7 273.8 285.8 337.9 676.7 RoW 2.3 1.7 2.1 1.2 0.2 Total 298.1 516.5 658.6 805.8 1,129.6 Aun teniendo en cuenta estos objetivos y creciendo acusadamente la preocupación por la sociedad, las consecuencias que el cambio climático supone han sido cada vez más evidentes. Estas consecuencias pueden ser por ejemplo los fenómenos meteorológicos extremos, las subidas de temperaturas, el aumento del nivel del mar, el aumento del número de especies en peligro de extinción, entre otras. Por todo ello, el cambio climático se encuentra en el epicentro de la política internacional. Como medida, se estableció a nivel Europeo la Estrategia a largo plazo para 2050, aprobada el 28 de Noviembre de 2018 con la intención de dirigir el cambio hacia la neutralidad climática [1]. 18 Para conseguir los objetivos energéticos europeos, es esencial una modificación del modelo energético europeo y por ello, la Comisión Europea presentó el paquete “Energía limpia para todos” *3+ en el año 2016. Dicho paquete propone acelerar la transición energética del momento hacia la generación de energía de forma limpia que cumpla los objetivos acordados en el Acuerdo de París pero que siga manteniendo la seguridad del sistema energético y no incremente los precios. Así mismo, dichas nuevas fuentes de energía deben favorecer la creación y el crecimiento del empleo. En la figura 1 se reflejan los distintos porcentajes de la estructura de la generación por tecnología en España desde el 2016 al 2020 y en ella se puede observar como España ha apostado por reducir el uso del carbón (que ha pasado de ser un 14.3% a un 4%) a cambio de desarrollar los recursos renovables como la energía hidráulica. Figura 1: Estructura de la generación por tecnología (%) [4] El grupo empresarial Red Eléctrica hizo público en 2011 su compromiso voluntario contra el cambio climático, dando constancia del mismo al aprobar una estrategia especialmente dirigida a esta lucha. Se denominó “Compromiso contra el cambio climático” *5+ y “Plan de Acción de Cambio Climático” *6+ ambos validados en 2017 que mostraban los horizontes que pretendían alcanzar tanto en 2020 como en 2030 y los métodos que iban a ser utilizados para conseguirlo. A todas estas propuestas, se suma quizás una de las más importantes a nivel Europeo, la Descarbonización en 2050. 19 España se suma a dicha propuesta e impulsa diferentes estrategias que modifiquen el modelo energético en uno que sea completamente sostenible. Para ello, se creó el Ministerio para la Transición Ecológica que anunció en la cumbre del clima celebrada en 2018 en Katowice (COP24) su compromiso a reducir las emisiones de gases de efecto invernadero un 37% en 2030 con respecto a las emisiones de ese año y que en 2050, el objetivo era reducirlas un 90%. En 2019, se elevó este objetivo hasta conseguir una España completamente descarbonizada en el año 2050. Para lograr este necesario pero ambicioso objetivo, las energías renovables adquieren un papel fundamental. Este tipo de energía supondrá, en el caso de alcanzar la meta para el 2030, un 42% de la energía total Española. El Consejo de Ministros aprobó el Real Decreto de Fomento del Autoconsumo para impulsar la descarbonización. Con dicho decreto se suspende el conocido “impuesto al sol” y provee de mayor protección y libertad para los consumidores de energía. Entre las novedades que este decreto presentó destacan:  Autoconsumo colectivo, que permite que distintos consumidores de energía puedan congregarse en una única planta de generación debido a que hasta este momento, sólo se estaba permitido el autoconsumo de manera individual conectado a una red interior.  Se introduce el concepto “instalación de producción próxima a las de consumo y asociada a las mismas” que aporta la posibilidad de generar autoconsumo tanto en instalaciones de generación localizadas en una vivienda particular como en otras viviendas diferentes pero que se encuentren próximas a esta. Para esto es necesario que ambas partes estén de acuerdo, como es de esperar.  Los trámites administrativos se reducen, simplificando todas las gestiones llevadas a cabo antes de que entrara en vigor el Real Decreto a una única gestión para pequeños consumidores (con límite en 15kW o hasta 100kW si es el caso de autoconsumo sin excedentes).  Autorización de un mecanismo de compensación de excedentes lo que quiere decir que si un autoconsumidor no consume el 100% de la energía que él mismo ha producido, el usuario es recompensado por dicha energía producida en exceso en cada factura mensual. Hasta el momento, si este hecho se producía, el autoconsumidor debía constituirse jurídicamente como productor de energía y realizar tanto los trámites como todas las declaraciones fiscales que la ley exigía para poder obtener una compensación por la energía que había inyectado a la red.[7] En este escenario, no se puede pasar por alto el papel fundamental que va a jugar el Hidrógeno en la transición energética. 1.2-Hidrógeno: De acuerdo con la situación desarrollada previamente, es fácil intuir que tanto a nivel Europeo como mundial, se empezó a estudiar la viabilidad de diferentes recursos para la producción de energía limpia. Uno de los vectores energéticos que se han comenzado a desarrollar es el Hidrógeno. Para asegurar la gestionabilidad del progresivo incremento de la penetración de renovables en el sistema energético, se ha identificado el hidrógeno como una tecnología clave. El hidrógeno no se encuentra en estado puro sino que ha de ser generado a partir de otra materia prima inicial que contenga dicho hidrógeno aportándole energía. 20 Por este motivo, el hidrógeno es considerado un vector energético en vez de una fuente de energía primaria mismamente. Al ser un vector energético, se utiliza tanto para transportar como para almacenar energía. La principal ventaja que aporta el hidrógeno como vector energético es la capacidad de almacenar fuentes de energía renovables e intermitentes (como es el caso de la energía solar o la procedente del viento). Es por esto por lo que el hidrógeno producido a partir de energías renovables es considerado como renovable y adquiere el papel de nexo entre los consumidores y las fuentes primarias de donde proviene la energía en sí [7]. A continuación se presenta un breve sumario de la historia del hidrógeno y las tecnologías asociadas, desde su origen hasta que adquirió el significado en materia de energía que es la que resulta de interés en este proyecto:  Henry Cavendish fue el primer científico que consiguió obtener hidrógeno a partir de la reacción de Zn con HCL en 1766. Previamente se habían realizado numerosas investigaciones y estudios que identificaban al hidrógeno como un elemento quimico más.  No fue hasta 1783 cuando se demostró que la formación de agua proviene de combinar oxígeno e hidrógeno. Este hecho fue nombrado a partir de las derivaciones de las palabras griegas de las que proviene, “hydro” que significa agua y “genes” que significa nacido de.  En 1783 el físico Jacques Alexander Cesar Charles realizó la primera aplicación técnica a partir de hidrógeno al lanzar el primer globo aerostático. Más adelante se repitió dicho experimento incluso pilotado personalmente por pilotos profesionales.  En 1800 los científicos Anthony Carlisle y William Nicholson descubrieron el hecho de que si se aplica una corriente eléctrica al agua, se puede obtener oxígeno y agua. A este proceso se le denomina actualmente “electrólisis”.  En 1828 el químico Christian Friedrich Schonbein anunció su descubrimiento sobre la obtención de electricidad a partir de hidrógeno y oxígeno. Este hecho corresponde con la pila de combustible.  En 1845 William Grove aplicó el descubrimiento de Christian Friedrich Schonbein consiguiendo crear lo conocido como “pila de gas”. Es por este hecho, por lo que William Grove es considerado el padre de las actuales pilas de combustible.  En 1889, Ludwig Mond y Charles Langer construyeron la primera celda de combustible, a partir de gas síntesis (mezcla de monóxido de carbono e hidrógeno) y aire, dando nombre a las mismas.  En 1898 James Dewar consiguió por primera vez en la historia, licuar el hidrógeno a 20.4K.  En 1920 Rudolf Erren empezó a transformar los motores de combustión interna y alternativa para que funcionaran con hidrógeno o alguno de sus derivados. Con esto obtuvo la patente para las posteriores fabricaciones de este tipo de motores. Aquí comenzaron a desarrollarse los motores que utilizan hidrógeno para la aplicación en automóviles u otras máquinas.  En 1920 J.B.S Haldane consideró por primera vez en la historia que el hidrógeno es renovable y lo reflejó en el artículo “ciencia y futuro”.  En 1930 Rudolf Erren construyó el primer modelo de vehículo impulsado por hidrógeno.  En 1937 el dirigible de Hindenburg sufrió un grave accidente debido a que saltó una chispa en la carga electroestática, lo que supuso el fin de la utilización del hidrógeno en el sector aeronáutico. 21  En 1959, Francis Bacon consiguió crear (en la práctica) la primera celda de combustible accionada con una mezcla de aire e hidrógeno con una potencia de hasta 5kW. Este diseño sería utilizado más tarde en el programa Apolo de la NASA.  En 1968 la NASA realizó un estudio en profundidad de las ventajas económicas del hidrógeno líquido. Hasta los años 60, los coches no habían adquirido muchas innovaciones desde que se crearon.  En 1970 John Bockris introdujo el término “economía del hidrógeno” en un círculo técnico de General Motors. El problema energético surgido en la crisis de 1973 -unido al deterioro del medio ambiente y el aumento constante de demanda de energía - causado por la disminución de las fuentes de combustibles fósiles derivó en el interés por el estudio de una economía basada en el hidrógeno o sus derivados (la denominada actualmente economía del hidrógeno, esquematizada en la Figura 2).  En1972 se presentó el primer prototipo de un vehículo que había sido diseñado a partir de motores de combustión modificados. Fue el conocido prototipo “Gremlin” presentado en la Universidad de California en Los Ángeles.  En 1973 las pilas de combustible de carácter comercial se dispararon en desarrollo debido al embargo de crudo proveniente de la Organización de Países Exportadores de Petróleo (OPEP).  En 1974 tuvo lugar “The Hydrogen Economy Miami Conference” (THEME) que fue el primer congreso a nivel internacional cuyo objetivo principal era el análisis de la economía del hidrógeno. Fruto de este congreso nació la Asociación Internacional de la Energía del Hidrógeno (IAHE). Figura 2: Principios de la economía del hidrógeno. [8]  En los años 80, se empezó a desarrollar el “Honda FCX Clarity” (Figura 3) con el objetivo de alcanzar el vehículo sin emisiones. Este vehículo ha sido fabricado por la firma Japonesa Honda y se caracteriza por ser impulsado por una pila de combustible lo que produce que sus únicas emisiones sean de vapor de agua. Comenzó a comercializarse en Julio de 2008 en Estados Unidos y en Japón en Noviembre de ese mismo año [9]. 22 Figura 3: Modelo Honda FCX Clarity junto a una estación de hidrógeno. [9]  A partir de este momento las investigaciones sobre la energía del hidrógeno se acrecentó así como se produjeron muchos avances en el desarrollo tecnológico de estas fuentes.  En 2004 Toyota anunció en el Salón del Automóvil de los Ángeles su nuevo coche “Toyota Mirai” con la novedad de que estaba propulsado por un motor eléctrico que era alimentado por una pila de combustible. El modelo cuenta con dos depósitos, uno para hidrógeno y otro para aire.  En 2018, se presentó el “Hyundai NEXO” con una batería de hidrógeno. Este sería el primer modelo en matricularse en España con una pila de combustible de hidrógeno. En estos momentos se sigue profundizando tanto en las propiedades que el hidrógeno aporta, como en su economía y los programas que son necesarios para testear esta nueva tecnología. A lo largo de los últimos años han ido surgiendo diversas asociaciones que se suman a estas investigaciones tanto a nivel nacional como internacional. Este modelo salió a la venta el 15 de Diciembre de 2014 en Japón, en Noviembre de 2015 en Estados Unidos y en 2016 en Dinamarca, Reino Unido, Alemania y Noruega. Se han comercializado hasta la fecha más de 3.000 unidades.  Concretamente en 2019 se debatió la lógica del uso del hidrógeno en las pilas de combustible en el Foro Económico Mundial, el Consejo Mundial de la Energía y entre las naciones del G20. El tráfico es un problema global que desemboca en la contaminación de todas las ciudades Europeas, reduciendo considerablemente la calidad del aire y la esperanza de vida de los ciudadanos. Es por esto por lo que se ha tomado la iniciativa de introducir sistemas de propulsión basados en pilas de combustible en autobuses urbanos. En contra de estas iniciativas, se plantea el problema del coste fundamentalmente de los elevados costes actuales. Aun así, Toyota y Hyundai siguen siendo los grandes promotores de vehículos con pilas de combustible alimentadas por hidrógeno junto con Nikola Motors. Honda tiene sólo un modelo con esta tecnología y Daimler lo está investigando. 23 Se observa que las pilas de combustible constituyen una de las principales tecnologías del hidrógeno, siendo utilizadas no sólo en automoción sino en diversos tipos de aplicaciones. A continuación se presenta una tabla donde se ve la evolución del uso de las pilas de combustible según sus aplicaciones: Tabla 2: Megavatios de pilas de combustible por aplicación de las pilas de combustible. [2] Megavatios 2015 2016 2017 2018 2019 Portátil 0.9 0.3 0.6 0.7 0.6 Estacionaria 183.6 209.0 222.3 220.6 221.2 Transportes 113.6 307.2 435.7 584.5 907.8 Total 298.1 516.5 658.6 805.8 1,129.6 1.3-Objetivos: El objetivo de este proyecto es caracterizar experimentalmente en condiciones nominales una pila de comsbutible, y realizar ciclos de durabilidad a una pila de combustible que se encuentra disponible en el banco de ensayos de pilas de combustible de la Escuela Técnica Superior de Ingeniería de la Universidad de Sevilla. Se han realizado ensayos experimentales de ciclos de NEDC (New European Driving Cycle) siguiendo el protocolo de ensayos armonizado del JRC [16] (Joint Research Centre) de la Comisión Europea, y se aportaron los datos necesarios para analizar las prestaciones de la pila y su comportamiento ante ciclos de carga. Para ello se realiza un estudio previo sobre qué es una pila de combustible, porqué se utiliza hidrógeno como combustible, cómo es el banco de ensayos donde se van a realizar los ensayos y qué pautas se van a seguir en la realización de dichos ensayos. 24 2-PILAS DE COMBUSTIBLE: La pila de combustible es un dispositivo basado en celdas electroquímicas que convierten la energía química, por la oxidación de un combustible y la reducción simultánea de un oxidante, en energía eléctrica. Ambos suelen estar en estado gaseoso. Con una pila de combustible se puede producir energía eléctrica de forma continua siempre y cuando se mantenga la alimentación de los electrodos de combustible y comburente. La pila de combustible cuenta con dos electrodos, un ánodo y un cátodo, ambos separados mediante un electrolito. El funcionamiento de la pila consiste en suministrar el combustible al ánodo donde se lleva a cabo la reacción de oxidación y se liberan electrones al circuito externo. Esta reacción de oxidación corresponde con: Por otro lado, el oxidante se suministra al cátodo, el cual recibe los electrones del circuito externo y se produce la reacción de reducción. La corriente eléctrica es generada por la corriente de electrones del ánodo al cátodo. La reacción de reducción corresponde con: En la figura 4 se representa el esquema básico de una pila de combustible con los flujos de oxígeno, hidrógeno, electrones e iones representados. Figura 4: Esquema funcionamiento de una pila de combustible. Si el hidrógeno es el combustible elegido como combustible, la única corriente de salida de la pila será agua, como queda reflejado en la figura anterior. Una pila de combustible está formada por varias células individuales conectadas en serie eléctricamente. A esta unión de varias celdas se le designa “stack” en cuyos extremos se colocan las dos placas terminales eléctricas. 25 Así, la gran mayoría de pilas de combustible pueden considerarse como la suma de varias pilas individuales denominadas células o celdas de combustible. Cada célula independiente, está formada por el electrolito, los dos electrodos, y dos placas (llamadas placas bipolares) que los comprimen, protegen y se encargan de la distribución de los gases. [10] Figura 5: Esquema de componentes internos de una pila de combustible 2.1- Características generales de las pilas de combustible: Los principales aspectos destacables de las pilas de combustible son: 1. Alta eficiencia: la eficiencia conseguida por una pila de combustible oscila entre el 40 y el 60% en conversión directa de electricidad, llegando hasta un 85% en el caso de cogeneración. Por lo tanto, mejora en eficiencia a los motores de combustión. La eficiencia de la pila de combustible no varía en función del tamaño. 2. Bajas emisiones: Como ya se ha comentado, si el hidrógeno es el combustible, sólo se produce agua, por lo que no es contaminante para el medio ambiente. Esto hace que la energía producida por una pila de combustible se considere energía limpia, de emisión cero. Este es un aspecto muy importante para algunos sectores, como el automovilístico. 3. Simplicidad de fabricación y modularidad: Al no tener muchos componentes, no resulta complicado fabricar una pila de combustible, es decir, el diseño es relativamente sencillo. Esto hace que se puedan instalar para funciones muy diversas. El carácter modular hace que el tamaño del sistema se ajuste dependiendo de la finalidad de la pila, aumentando o disminuyendo el número de módulos de la pila en función de la potencia demandada. 4. Nivel de ruido bajo: Las pilas de combustible no introducen ningún dispositivo móvil entre sus componentes que generen ruido, el único ruido que puede producirse se debe a los sistemas de alimentación de combustible o al sistema de refrigeración de la propia pila. 5. Versatilidad de combustibles: Las pilas de combustible pueden utilizar cualquier compuesto que pueda ser oxidado como combustible. En la realidad, suele utilizarse e hidrógeno, alcoholes o hidrocarburos. 32 -Manguera calefactora para controlar la temperatura de la corriente de entrada de combustible a la pila a ensayar. -Sensor para controlar la humedad relativa de la corriente de entrada de la monocelda/stack. -Termopar para medir las temperaturas. -Sensor de presión para medir la presión en la línea. -Filtro de coalescencia o trampa de condensados para poder acumular el agua que ha sido arrastrada así como el agua que ha condensado en la corriente. Los condensadores necesitan purgas que se realizan de manera automática. Cada cierto periodo de tiempo, se vacía el agua que se ha recogido y se conduce al desagüe. -Filtro desecante con función de eliminar la humedad en la corriente de salida. -Regulador de presión para controlar y modificar la presión de suministro del ánodo. Para regularla, se controla la apertura y/o cierre de la válvula del regulador de contrapresión. -Electroválvula para el modo dead-end así como los ensayos que se realicen a presión atmosférica. -Filtro de partículas en línea así como un silenciador, localizado en el tramo final de la línea. Figura 10: Parte del P&ID correspondiente al suministro de hidrógeno a la muestra a ensayar. 33 3.3.2. Suministro de oxidante (cátodo) El sistema de suministro de oxidante, en nuestro caso corresponde con la línea de suministro de oxígeno, la cual engloba (figura 11): -Regulador de presión que incluye un manómetro para la medida de esta presión. -Transmisor de presión de la corriente de entrada. -Electroválvula de suministro cuya función es abrir o cerrar el suministro de oxígeno, con el antiretorno para evitar el flujo inverso de nitrógeno. -Dependiendo del modo de funcionamiento, el oxígeno puede avanzar por diferentes líneas: 1. Caudalímetro másico para monoceldas. 2. Caudalímetro másico para stacks. 3. Electroválvula para el modo dead-end. 4. Válvula bola manual para mantenimiento. -Humidificador por medio de burbujeo con las mismas especificaciones que las desarrolladas en el apartado anterior. -Hilo calefactor con las mismas propiedades descritas anteriormente, cambiando únicamente que la manguera calefactada es en este caso la. -Manguera calefactora para controlar la temperatura de la corriente de entrada de combustible a la pila a ensayar. -Sensor para controlar la humedad relativa, HR-002 de la corriente de entrada de la celda/ stack. -Termopar para medir las temperaturas. -Sensor de presión para medir la presión en la línea. -Filtro de coalescencia o trampa de condensados para poder acumular el agua que ha sido arrastrada así como el agua que ha condensado en la corriente. Los condensadores necesitan purgas que se realizan de manera automática. Cada cierto periodo de tiempo, se vacía el agua que se ha recogido y se conduce al desagüe. -Filtro desecante con función de eliminar la humedad en la corriente de salida. -Regulador de presión para controlar y modificar la presión del banco de ensayo. Para regularla, se controla la apertura y/o cierre de la válvula del regulador de contrapresión. -Electroválvula para el modo dead-end así como los ensayos que se realicen a presión atmosférica. -Filtro de partículas en línea así como un silenciador, localizado en el tramo final de la línea. 34 Figura 11: Parte del P&ID correspondiente al suministro de oxígeno/aire a la muestra a ensayar. 3.3.3. Suministro de Nitrógeno En cuanto a la línea de suministro de nitrógeno utilizado para inertizar y pre-acondicionar el banco de ensayos, podemos encontrar (figura 12): -Regulador de presión con manómetro incluido para las medidas. -Transmisor de presión para la corriente de entrada. -Electroválvula para garantizar el suministro de nitrógeno en el lado del ánodo, la cual está situada antes de la válvula de antirretorno para evitar el flujo inverso de hidrógeno. -Electroválvula para garantizar el suministro de nitrógeno en el lado del cátodo, la cual está situada antes de la válvula de antirretorno para evitar el flujo inverso del oxígeno. -Instrumentación en la línea de suministro de combustible y oxidante necesaria para el control del caudal, humedad y presión que ha sido previamente desarrollada. Figura 12: Parte del P&ID correspondiente al suministro de nitrógeno. 35 3.3.4. Sistema de suministro de agua desionizada El banco de ensayos cuenta con un sistema de generación de agua desionizada mediante ósmosis inversa, del modelo ECOMATIC 3L WASSERLAB, con un depósito presurizado de 30L integrado. El agua desionizada se utiliza para proveer de agua a los humidificadores de ánodo y cátodo así como para el circuito de refrigeración de pilas de combustible refrigeradas por agua. Para producir el agua desionizada con las propiedades necesarias, el sistema tiene integrado: -Un grupo de presión, modelo ONEMATIC EASY, situado a la salida del depósito (figura 13). -Electroválvula que se abrirá automáticamente para poder asegurar e llenado de humidificador de hidrógeno y de oxidante respectivamente si los sensores de nivel expongan la señal de llenado. -Electroválvula para el vaciado de humidificadores. El agua desionizada que se produce se puede utilizar adicionalmente para otros usos que el laboratorio requiera. Figura 13: Grupo de presión modelo ONEMATIC EASY instalado en el banco de ensayos. 3.4. Carga electrónica El banco de ensayos cuenta con una carga electrónica integrada programable de corriente continua refrigerada por aire, del modelo ADAPTIVE POWER 5L18-24. En la tabla 4 se presentan las especificaciones principales de la carga electrónica utilizada. Esta carga debe funcionar tanto en modo de operación en corriente (CC), en voltaje (CV) como en potencia (CP). Las principales especificaciones de la carga electrónica se muestran en la tabla 4. 36 Tabla 4: Principales especificaciones de la carga electrónica integrada en el banco de ensayos. 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 0.7 @ 240A Modos de operación CC, CP, CR Y CV Modo dinámico Hasta 20kHz Relación de subida 16mA-10 A/µs En la figura 14, se muestra el rango de funcionamiento completo de la carga electrónica ADAPTATIVE POWER 5L18-24: Figura 14: Rango de funcionamiento corriente/voltaje de la carga electrónica ADAPTATIVE POWER 5L18-24. Para asegurar que el banco de ensayos funciona correctamente con una monocelda y con un stack de hasta 5 celdas, se introduce una fuente de alimentación en serie con la carga electrónica. Esto permite trabajar desde 0V hasta máxima intensidad. En otras palabras, la fuente de tensión asegura que la carga electrónica demande intensidades altas para tensiones bajas llegando incluso a cero en los bornes de la monocelda si fuese necesario[15]. Esta fuente de tensión es una Fuente de Alimentación Programable, modelo MAGNA POWER SL5-250/UI, de corriente continua, conmutada con las especificaciones técnicas apropiadas para el banco de ensayos. La carga electrónica puede ser activada y controlada a tiempo real si se trabaja en modo manual. Así podemos elegir: 37 -El modo que trabaje con la carga de manera programable o manual (si no seleccionamos nada, aparecerá en modo manual por defecto) -El modo de funcionamiento de la carga en corriente constante (CC), potencia constante (CP) o voltaje constante (CV). También se puede monitorizar a tiempo completo el valor de la tensión y/o intensidad de la carga electrónica. En cuanto a las gráficas de operación y resultados, se pueden obtener:  Voltaje e Intensidad frente a tiempo en la Pestaña Histórico.  Voltaje frente a densidad de corriente en la Pestaña Curva VI.  Potencia frente a densidad de corriente en la Pestaña Curva Potencia.[14] 38 4-DESCRIPCIÓN DEL NEW EUROPEAN DRIVING CYCLE: En primer lugar se procede a explicar aspectos generales del NEDC para después poder adaptarlo concretamente a las pilas de combustible. Básicamente, el New European Driving Cycle es un método de ensayo tanto de vehículos como de sus sistemas de propulsión que se basa en la repetición de un ciclo de conducción sintético. Para vehículos convencionales de motores de combustión interna, se pueden realizar dos tipos de pruebas diferentes del NEDC:  Prueba en frío: Se realiza para evaluar el consumo de combustible, el CO2 y las emisiones. La temperatura del motor que impulsa el vehículo es 22°C ± 2°C antes de comenzar la prueba en frío del NEDC. El tiempo de inmersión debe ser mayor de 6 horas y menos de 30 horas. Este tipo de prueba de NEDC se realiza para controlar la condición de los propios vehículos por lo que los datos obtenidos se comparan inmediatamente con las especificaciones aportadas por el fabricante.  Prueba en caliente: Se realiza para evaluar el consumo de combustible y el CO2.La temperatura del aceite del vehículo se encuentra en torno a 90°C antes de comenzar con el procedimiento de la prueba. La temperatura del lugar donde se realiza la prueba debe ser de 22°C ± 2°C. La prueba en caliente del NEDC tiene como objetivo replicar lo más realmente posible el comportamiento del vehículo. Normalmente, para las pruebas de emisiones realizadas después de la regularización del vehículo, se deben apagar todos los equipos agregados que consumen energía, como por ejemplo el aire acondicionado [16]. 4.1- Emisiones NEDC En las últimas décadas el número de vehículos diésel ha crecido notablemente, lo que provoca que las emisiones de NOx y partículas en suspensión se hayan disparado. Es por ello por lo que el uso de vehículos diésel ha sido restringido en muchas ciudades. Junto al problema de la contaminación, se suma la disminución considerable de las reservas de petróleo mundiales lo que crea la necesidad de investigar otro tipo de vehículos que no agraven dichos factores. Así, se desarrolla la idea de vehículos eléctricos o la utilización de biocombustibles. Para comprobar las emisiones producidas por los diferentes combustibles, se procede a realizar un análisis de dichas emisiones con gasolina, biogás y biogás con hidrógeno. El estudio se realizará siempre sobre el mismo vehículo cuyas especificaciones se especifican a continuación en la tabla 5. 39 Tabla 5: Especificaciones vehículo ensayado para obtener las emisiones contaminantes. Marca Honda Número de cilindros 6 Diámetro 77 mm Carrera 58 mm Tipo de aspiración natural Peso: 1200 kg Relación de compresión: 8.5/1 Potencia efectiva: 6.3 kW (3600 rpm) 4.1.1-Consumo de combustible: Los valores de consumo instantáneo y total de combustible que se produce en el coche en el NEDC para diferentes los combustibles (gasolina, biogás, biogás e hidrógeno) se presentan a continuación en la figura 15: Figura 15: Consumo de combustible durante NEDC. 40 Los resultados obtenidos muestran que al utilizar biogás en el ciclo de NEDC, se consume más cantidad de combustible. Sin embargo, si se añade una pequeña cantidad de hidrógeno (5%) este consumo se reduce tanto en el instante concreto en el que se añade como en el consumo total de combustible. Por tanto, se puede recuperar parte del combustible consumido al añadir hidrógeno debido a la alta velocidad de combustión y al alto coeficiente de difusión del mismo. Los resultados reflejan un aumento del 16,3% en el NEDC cuando se utiliza biogás en vez de gasolina y un aumento del 12,1% al utilizar biogás e hidrógeno en vez de gasolina. 4.1.2-Emisiones CO: Los valores de emisión de CO instantáneos y totales que se producen en el coche en el NEDC para diferentes combustibles (gasolina, biogás, biogás e hidrógeno) se presentan a continuación en la figura 16: Figura 16: Emisiones de CO durante el NEDC. 41 De acuerdo con los resultados, el uso de biogás como combustible aumenta de las emisiones de CO en dicho ciclo de conducción. Las menores emisiones de CO se obtienen con el combustible de gasolina, en las mismas condiciones de trabajo. Sin embargo, si se añade hidrógeno (5%) al biogás, el aumento de las emisiones de CO disminuye. Los resultados muestran un aumento del 21,6% en las emisiones de CO al utilizar biogás en vez de gasolina así como un aumento del 11,7% al utilizar biogás e hidrógeno en vez de gasolina. Por tanto, se puede recuperar una cantidad significativa de las emisiones de CO añadiendo hidrógeno. Basándose en los resultados, el hecho de que el hidrógeno no contenga átomos de carbono y su velocidad de combustión influyen en el aumento de la eficiencia de la combustión. 4.1.3-Emisiones de hidrocarburos: Los valores de emisión de hidrocarburos instantáneos y totales que se producen en el coche en el NEDC para diferentes combustibles (gasolina, biogás, biogás e hidrógeno) se presentan en la figura 17. Según los resultados, cuando se utilizó biogás se alcanzaron los valores más altos de emisión de hidrocarburos. Sin embargo, se observó que el aumento de las emisiones de hidrocarburos disminuyó con la adición de un 5% de hidrógeno al biogás. Los valores más bajos de emisión de hidrocarburos se obtuvieron sólo cuando se utilizó combustible de gasolina. Los resultados indicaron un aumento del 33,5% en las emisiones de hidrocarburos al utilizar biogás en vez de gasolina así como un aumento del 24,0% al utilizar biogás e hidrógeno en vez de gasolina. Por tanto, si se añade una pequeña cantidad de hidrógeno se disminuyen notablemente las emisiones de hidrocarburos provocado porque el hidrógeno no contiene átomos de carbono, el alto coeficiente de difusión y la velocidad de combustión del hidrógeno conducen a una disminución de dichas emisiones. 48 Figura 21: Representación de la densidad de corriente y la máxima densidad de corriente expresada como porcentaje frente a la duración del ciclo adaptado para probar las celdas individuales de las PEMFC para que se asemejen al ciclo NEDC (velocidad del vehículo frente a duración del ciclo) [16]. Figura 22: Ciclo final de carga dinámica de una pila de combustible adaptado de NEDC. Este ciclo es el que se ha ensayado en el banco de ensayos para la pila de combustible seleccionada. Para determinar la densidad de corriente nominal, se ha calculado como la media de las mediciones de las curvas de polarización ascendente y descendente para obtener una tensión de la célula de 0.65 V. Es decir, una vez obtenidas las tres curvas de polarización (realizadas antes del ensayo en sí) se procede a calcular la densidad de corriente media correspondiente con la subida y la bajada de la curva de polarización para 0.65V. Así se calcula la densidad de corriente nominal de cada curva. Para obtener la densidad de corriente nominal propiamente 49 dicha, sólo hay que realizar la media con los valores de densidad de corriente nominal de cada curva. Este aspecto se desarrolla con más detalle en el apartado 6 correspondiente a los resultados obtenidos. 50 5- METODOLOGÍA Y EJECUCIÓN DE LOS ENSAYOS: Los ensayos fueron realizados en el banco de ensayos de pilas de combustible del laboratorio de Termotecnia de la Escuela Técnica Superior de Ingeniería de la Universidad de Sevilla. Los ensayos se realizaron en varias sesiones de trabajo, siguiendo el procedimiento indicado a continuación (basado en el protocolo de ensayo de JRC [16]). Para realizar los ensayos se ha seguido el protocolo JRC [16] así como las condiciones de operación tomadas de referencia (Figura 25). No se ha realizado textualmente el ensayo del protocolo JRC [16], ya que se han realizado 5 repeticiones de los ciclos en vez de 500 como se indica en el protocolo JRC [16] (por cuestiones de disponibilidad de tiempo de ensayo y de disponibilidad de fungibles/gases). 1. Ensayo previo: consiste en tres curvas de polarización iniciales con las cuales se ha calculado el 100% de carga que es el valor medio de la densidad de corriente (correspondiente a 0.65V) de las tres curvas de polarización. 2. Ensayo ciclos NEDC:  Fase acondicionamiento de la pila de combustible, para ello la intensidad de corriente irá aumentando hasta que se estabilice en torno a 0.5ª durante 10800 segundos.  Tres curvas de polarización  Ciclos NEDC (siguiendo los puntos de la tabla 8).  Curva de polarización final 5.1. Chequeos previos al ensayo Antes de empezar a realizar cualquier ensayo, es necesario realizar las siguientes comprobaciones: 1. Verificar la conexión del suministro de hidrógeno, para ello es necesario asegurar que el suministro del gas está abierto y que la presión se encuentra entre 5 y 8 bar. En nuestro caso abrimos el suministro de hidrógeno en las bombonas localizadas fuera del laboratorio así como las llaves de paso del laboratorio para que los gases puedan llegar al banco de ensayos. También es necesario comprobar la conexión en la plancha lateral del banco a ensayar mediante el enchufe rápido y medir la presión (con el manómetro del regulador de presión PR-001) para asegurar que sea mayor que 4 bar. 2. Verificar la conexión del suministro de oxidante, para ello habrá que comprobar que la bola manual de suministro de oxígeno esté abierta, después habrá que comprobar que el suministro del gas se encuentre igualmente abierto con una presión de entrada entre 5 o 8 bar. Por último, comprobamos el enchufe rápido localizado en la planta lateral del banco de ensayos. De igual forma que la descrita para el hidrógeno, se abrió la bombona de oxígeno y la llave de paso del laboratorio. 3. Verificar la conexión del suministro de nitrógeno, al igual que en el punto anterior, deberemos comprobar que el suministro del gas esté abierto, con presión entre 5 y 8 bar, así como comprobar la conexión del enchufe rápido ubicado igualmente en la plancha lateral del banco. Por último, habrá que comprobar también, que la presión de entrada del nitrógeno sea mayor que 4 bar mediante el barómetro PR-003. Se realizó el mismo proceso que con el hidrógeno y el oxígeno. 51 4. Comprobar el subsistema de agua desionizada, para ello se verificó que la bomba de dispersión y el sistema de agua desionizda, estén ambos encendidos y conectados a la red, así como se aseguró la conductividad del agua por medio del display digital del equipo de osmosis inversa. 5. Comprobar el subsistema de refrigeración, verificando el funcionamiento de los ventiladores de la celda. Al ser la reacción exotérmica, a mayor intensidad, mayor reacción y por lo tanto mayor calor producido. Así se crea la necesidad de refrigerar la celda. La refrigeración será automática si los ventiladores están encendidos previamente. 6. Comprobar la conexión de carga eléctrica y del analizador de respuesta en frecuencia. En esta comprobación puede ser necesario ajustar los límites de tensión mínima establecidos para el funcionamiento correcto a bajas tensiones e intensidades sin que se necesite la fuente de alimentación. También será necesario configurar el panel del equipo de la comunicación del sistema mediante red LAN. 7. Por último nos aseguramos que la campana extractora estaba encendida y que funcionaba correctamente. 5.2. Inicialización programa: establecimiento settings Una vez realizados todos los chequeos previos necesarios, se procede a la realización del propio ensayo. En primer lugar introduciremos el usuario y la contraseña y cargaremos la configuración de la muestra a ensayar. En la figura 23 se muestra una fotografía tomada en el momento en que comenzamos los ensayos mediante el programa SCADA. Debido a que el banco ofrece flexibilidad a la hora de seleccionar las configuraciones, deben tenerse en cuenta los parámetros que diferencian estas configuraciones: Figura 23: Fotografía del programa SCADA. 52 1. Parámetro relativo a la muestra ( figura 24) : Entre estos parámetros destaca, el tipo de muestra, el termopar, la resistencia, el área activa, del número de celdas, la rampa de variación de corriente, la tensión mínima de celda, la intensidad máxima y el tiempo máximo en OCV. En el ensayo realizado se ha ensayado una monocelda de 50 . Figura 24: Parámetros relativos a la muestra: SCADA. 2. Parámetro relativo al oxidante (figura 25): Entre ellos cabe diferenciar cátodo cerrado y cátodo abierto. En el caso de cátodo abierto, se deberá seleccionar el modo de funcionamiento flow-throgh. 3. Parámetros relativos al hidrógeno:. En el modo de operación flow-through el caudal es definido por el usuario y se puede trabajar en backpressure o a presión atmosférica. En nuestro caso ensayaremos la pila a presión atmosférica. En cuanto al régimen de flujo, será el estequiométrico, es decir se define una estequiometría respecto al flujo teórico necesario según la demanda de intensidad en cada instante. Si no se especifica un caudal mínimo, el programa establece 0.1 Nl/min por defecto. 4. Parámetros relativos a la refrigeración: la refrigeración podrá realizarse por medio de aire o el agua. En el caso de realizarse por aire, se deberán conectar los ventiladores necesarios en el panel frontal del banco de ensayos. En el caso de realizarse por agua, se deberá activar el baño termostático. 5. Límites de funcionamiento específicos: El banco de ensayos tiene unos límites que no pueden sobrepasarse si se quiere asegurar su funcionamiento adecuado. Estos parámetros son:  Temperatura máxima: dependerá de la muestra a ensayar. El servidor establece el límite en 85°C por defecto pero este valor puede modificarse. Si se alcanzara la temperatura máxima establecida, se activan inmediatamente avisos y alarmas.  Presión máxima: dependerá al igual que la temperatura de la muestra a ensayar. El servidor establece el límite en 2.5 bar por defecto pero este valor puede modificarse. Si se alcanzara la presión máxima establecida, se activan inmediatamente avisos y alarmas. 53  Diferencia máxima de temperaturas entre las corrientes de cátodo o ánodo y la temperatura del stack. El servidor establece el límite en 10°C por defecto pero este valor puede modificarse. Si se alcanzara la diferencia máxima de temperaturas establecida, se activan inmediatamente avisos y alarmas.  Diferencia máxima de presión entre las corrientes de cátodo y ánodo. El servidor establece el límite en 0.5 bar por defecto pero este valor puede modificarse. Si se alcanzara la diferencia máxima de presión establecida, se activan inmediatamente avisos y alarmas. Una vez completados todos los pasos descritos hasta el momento, habrá que elegir entre modo de funcionamiento manual o automático seguido de la inertización del sistema (mediante el botón INERT). Con esto se realizará una purga con nitrógeno del sistema para eliminar restos de hidrógeno en la pila de combustible y para quitar las gotas de agua y humedad que se han formado. Es recomendable inertizar el sistema antes de realizar cualquier ensayo. El banco de ensayos ofrece la posibilidad de grabar el ensayo, detenerlo o finalizarlo en cualquier momento. 5.3- Modo de funcionamiento manual Los ensayos fueron ejecutados en el modo de funcionamiento manual del banco de ensayos. Para activar el funcionamiento del banco de ensayos es necesario establecer las consignas de funcionamiento y elegir el gas de funcionamiento (del lado del ánodo podrá elegir entre nitrógeno o Hidrógeno y del lado del cátodo podrá elegir entre nitrógeno u oxidante, es decir aire u Oxígeno). En los ensayos realizados, se selecciona hidrógeno para el ánodo y oxígeno para el cátodo. Todos los ensayos se realizaron en modo flow-through (cánodo y cátodo abiertos). Para ello se procede pulsando el botón START para dar comienzo al ensayo. Lo primero que hará el banco de ensayos es realizar el acondicionamiento de las variables de funcionamiento previamente seleccionadas. Con esto se preparan las líneas de gases en presión, humedad y temperatura. El acondicionamiento debe realizarse con caudales mayores de 1 Nl/min. La monocelda está prevista con dos resistencias eléctricas que la calientan y reguladores de presión backpressure que ajustan la presión. En nuestro caso, las condiciones de acondicionamiento seleccionadas han sido las condiciones de referencia (Reference Conditions) indicadas en el protocolo del JRC [16] que se muestran en la figura 25. 54 Figura 25: Referencias de las condiciones de operación para automóviles en el ensayo de una pila de combustible PEMFC, a baja temperatura, de una sóla celda [16]. -Temperatura de la celda:  75°C para aplicaciones en automóviles (figura 26).  Se toma en el centro del cátodo monopolar.  Debe ser mantenida durante todo el ensayo. Figura 26: Presión y Temperatura del Stack en el programa SCADA. 55 -Condiciones del ánodo:  Temperatura de entrada del gas de combustible: 5K sobre la temperatura de operación de la celda para prevenir la condensación del agua en su interior.  Humedad del hidrógeno a la entrada: En la entrada del ánodo,la humedad relativa debe ser el 50% (figura 27) respecto a la temperatura de la celda que corresponde con el punto de Rocío (64°C si la temperatura de la celda son 80°C)  Presión del hidrógeno a la entrada: La presión absoluta debe ser 250 kPa a la entrada del ánodo.  Composición del combustible: El hidrógeno debe tener pocas impurezas, con calidad de 0,5 o más.  Estequiometria del combustible: λ=1,3 (figura 27). Si la densidad es menor de 0.5 , se debe introducir λ=1,3. Figura 27: Condiciones del ánodo en el programa SCADA. -Condiciones del cátodo:  Temperatura del oxidante a la entrada del cátodo: La temperatura del oxígeno debe ser 5K por encima de la temperatura de la celda.  Humedad relativa del oxígeno a la entrada: Varía en función de las condiciones ambientales. En el cátodo debe ser un 30% (figura28) respecto a la temperatura de la celda.  Presión de entrada del oxígeno: La presión absoluta debe ser 230kPa.  Composición del oxígeno: No trabajaremos con oxígeno puro ya que lo obtendremos del aire.  Estequiometría del oxígeno: a la entrada del cátodo λ=1,5 (figura 28) y si la densidad fuera menor de 0,2 A/cm2, λ deberá ser igual a 1,5. 56 Figura 28: Condiciones en el cátodo en el programa SCADA. Para asegurarnos que se han alcanzado las condiciones introducidas, se puede comprobar directamente en el diagrama de la monocelda (en la pestaña P&ID, figura 29) o bien en el apartado “Gráficas”. En la sección “Stack” encontramos unos esquemas de las condiciones de la pila en todo momento. Figura 29: Pestaña P&ID programa SCADA. 57 Para el mantener el control durante esta primera etapa de acondicionamiento, se procede a presurizar los depósitos y las líneas de suministro de gas, calentar las líneas de suministro así como calentar y humidificar las líneas de suministro de los gases y de la pila de combustible. Siguiendo las recomendaciones del manual de operación [16] una vez incorporados los gases reactantes, se espera al menos 3 o 5 minutos para que se complete el tiempo de barrido antes de activar la carga electrónica para asegurar que el sistema ha desplazado internamente el nitrógeno que se ha utilizado previamente para la purga y/o inertización. Es decir, hay que dejar el suministro de hidrógeno abierto unos minutos antes de activar la carga para asegurarnos que el hidrógeno ha recorrido todo el banco de ensayos y en consecuencia, no queda nada del nitrógeno que había previamente en el banco de ensayos. Una vez realizados todos estos procedimientos, el banco de ensayos está listo para empezar a operar correctamente. En el estudio de pilas de combustible la segunda ley de Faraday es de vital importancia. Dicha ley asegura que la cantidad de producto formado o reactivo consumido es directamente proporcional a la carga generada. m ∞ I Si consideramos una reacción pura electroquímica, podemos afirmar que existe una relación proporcional entre la carga transmitida y el consumo o la producción de la sustancia que se trate [19]. Esta proporcionalidad está basada en la ecuación de la reacción electroquímica equilibrada y puede escribirse como: 󰇗 Donde: - 󰇗 = tasa de consumo o producción molar de las especies x [mol de x/s] -I= Tensión [A] -A= Área superficial del electrodo [ ] -i= Densidad de corriente = [ ] -n=electrones equivalentes por mol de reactante x [ ] -F= Carga transportada en un mol equivalente El área de electrodos superficial o geométrica, A, es el área activa del electrodo vista desde arriba. Para una reacción electroquímica dada, la ecuación que describe la segunda Ley de Faraday puede utilizarse para determinar la cantidad de reactivo consumido para producir una corriente específica y la cantidad de producto formado por una corriente conocida. La cantidad real de reactiva dada al electrodo puede ser mayor que la determinada por la Ley de Faraday, pero nunca puede ser menor. La cantidad real de producto producido en una reacción dada nunca será mayor que la predicha [19]. 64 Como se puede observar, todas las curvas son relativamente parecidas entre ellas por lo que los valores obtenidos pueden ser utilizados como paso previo al ensayo. Si hubiésemos representado los valores y las gráficas no coincidieran en absoluto, habría que revisar todo el proceso ya que habríamos cometido algún error, si se diera el caso de que no se encontrara, habría que repetir el proceso completo. Al haberse realizado el ensayo siguiendo en todo momento las indicaciones del protocolo JRC [16], este tipo de situaciones no ocurrirá ya que el propio protocolo JRC [16] lo asegura. En la figura 32 podemos observar las distintas partes características de una curva de polarización de una celda de combustible:  En primer lugar, para valores bajos de densidad de corriente, en la figura 32 se ve perfectamente como el potencial de la celda disminuye. Esto se debe a las pérdidas de activación.  En segundo lugar, para valores intermedios de densidad de corriente, las perdidas óhmicas hacen que el potencial de la celda caiga linealmente.  En tercer y último lugar, para valores altos de densidad de corriente, se produce la polarización de concentración acentuada, lo que conlleva que el potencial de la celda disminuya pero no linealmente [15]. Para trabajar sobre estas curvas, se procede a realizar una curva media (figura 32) que englobe las tres curvas y se toma esta curva como definitiva del ensayo. Para ello se introducen unos intervalos que indican la desviación estándar de las curvas. Figura 32: Curva de polarización media. Así mismo, se ha representado la potencia frente a la densidad de corriente (figura 33) para analizar la tendencia de la curva. 65 Al igual que se ha comentado previamente para las curvas de polarización, las curvas de potencia se suelen representar por unidad de superficie de la celda ya que así es más fácil comparar diferentes pilas de combustible. Otro método muy utilizado para evaluar el comportamiento de una pila de combustible es mediante el estudio de su curva de potencia. En la figura 33 se aprecia que a mayores valores de densidad de corriente, la potencia también aumentará (prácticamente linealmente). El nivel de máxima potencia se alcanza para 1.2 con un valor de casi 30W. Figura 33: Representación gráfica de potencia frente a densidad de corriente. 6.2- Ensayo ciclos NEDC: Después de realizar este ensayo previo, se procede a preparar el ensayo del ciclo de conducción NEDC. El ensayo ha sido realizado en 849.4 minutos, es decir 14 horas y 16 minutos y cuenta con las siguientes fases: 1-Acondicionamiento 2-Tres curvas de polarización iniciales 3- Ciclos de NEDC 4- Curva de polarización final En primer lugar, se muestra una gráfica (figura 34) con la evolución tanto de la densidad de corriente como del voltaje a lo largo del ensayo completo para diferenciar las fases previamente nombradas. 66 Figura 34: Evolución temporal de la densidad de corriente y el voltaje en el ensayo completo. Para poder visualizar mejor la evolución temporal de ambas variables, se desglosa la gráfica anterior en dos gráficas diferentes. En la figura 35 se diferencian claramente las fases nombradas anteriormente. Figura 35: Evolución temporal de la densidad de corriente en el ensayo completo. En cuanto al voltaje, la gráfica correspondiente a su evolución temporal es la figura 36: 67 Figura 36: Evolución temporal del voltaje en el ensayo completo. En todas las gráficas representadas hasta el momento, se ha representado el tiempo en el eje horizontal y la variable que se muestra en el eje vertical. Al ser gráficas que muestran el ensayo completo, se ha reflejado el tiempo en horas. 6.2.1- Fase acondicionamiento: De acuerdo con las fases del ensayo, se empieza acondicionando la pila de combustible (figura 37). Para ello se va aumentando la densidad de corriente progresivamente hasta que alcance 0.5 y se mantiene en ese valor 10800 segundos. Figura 37: Evolución temporal de la densidad de corriente durante la fase de acondicionamiento. 68 En este caso, la unidad establecida para el tiempo ha sido minutos ya que se está analizando una parte concreta del ensayo. Como puede observarse en la figura 37 en el minuto 141 aproximadamente se ha producido una caída brusca de la densidad de corriente por lo que es de relevante comentar que esa caída no estaba programada, es decir, el protocolo JRC [16] seguido indica que hay que mantener la densidad de corriente constante durante el acondicionamiento pero en la práctica, al llevar a cabo esta fase se registró esa caída. Sin embargo se determina que se trata de un falso cero del sistema de adquisición y no un valor real, ya que se observa que el voltaje no ha sufrido ninguna variación. En cuanto al voltaje, se ha registrado la secuencia mostrada en la figura 38. Figura 38: Evolución temporal del voltaje durante la fase de acondicionamiento. Como se observa en la figura, el voltaje comienza en torno a 0.75 V y comienza a disminuir hasta que alcanza aproximadamente 0.65V (correspondiente con el instante en el que se alanzan los 0.5 ). Como podemos ver en la parte de la derecha de la gráfica, sobre el minuto 191 aproximadamente, el voltaje experimenta una gran subida, que corresponde con el inicio del ensayo, es decir con la primera curva de polarización. Es la zona de transición entre el final del acondicionamiento y el principio de la curva de polarización. Antes de que empiece la primera curva de polarización, el voltaje permanece prácticamente constante en torno a 0.6655V y aumenta ligeramente hasta 0.675 V para continuar constante. Este hecho se ve más claro en la figura 39, donde se ha ajustado la escala de voltaje para observar su evolución con mayor detalle: 69 Figura 39: Evolución temporal del voltaje durante la fase de acondicionamiento con banda para la media. En la figura 39 se representan las mismas variables que en la figura 38 pero ajustando el eje vertical para ver de una forma más precisa los valores que toma el voltaje. Como el protocolo JRC [16] estipula que el voltaje en esta fase no debe variar más de +/- 5 mV, se procede a realizar la media de los datos obtenidos y se establece la banda de funcionamiento representada por la zona comprendida entre las líneas rojas. Como puede observarse en la gráfica 39, el voltaje se ajusta a la banda aceptada por el protocolo JRC [16] por lo que se da por finalizada la etapa de acondicionamiento. 6.2.2- Curvas de polarización: Llegados a este punto, se procede a analizar las gráficas obtenidas en la siguiente fase del ensayo, correspondiente con las tres curvas de polarización. Estas curvas se van a realizar de la misma forma que las curvas de polarización realizadas en el ensayo previo, es decir, haciendo la media de los últimos 30 segundos de cada valor de intensidad, de acuerdo al protocolo JRC [16]. En la figura 40 se refleja el hecho de que cuando aumenta la intensidad (y por consecuente la densidad de corriente) el voltaje disminuye. Las pérdidas en el ánodo son insignificantes comparadas con las pérdidas en el cátodo. La mayoría de las pérdidas se producen en el cátodo debido a la poca velocidad con la que se produce la reacción de reducción del oxígeno [15]. Para las curvas de polarización la densidad de corriente aumentará de 0 a 1.2 para disminuir posteriormente hasta 0 como se refleja en la figura 40 . El voltaje realizará el mismo proceso pero de manera inversa. 70 Figura 40: Evolución temporal de la densidad de corriente y el voltaje durante la primera curva de polarización. Al representar el voltaje frente a la densidad de corriente, se obtiene la primera curva de polarización mostrada en la figura 41. Figura 41: Primera curva de polarización previa a ciclos NEDC. Se procede de la misma manera dos veces más y así se obtienen la segunda (figura 42) y la tercera (figura 43) curvas de polarización. 71 Figura 42: Segunda curva de polarización previa a ciclos NEDC. Figura 43: Tercera curva de polarización previa a ciclos NEDC. Para analizar las diferencias entre las tres curvas obtenidas, se reflejan las tres curvas juntas en la misma gráfica en la figura 44: 72 Figura 44: Las tres curvas de polarización obtenidas. Como se ve en la figura 44, las tres curvas de polarización tienen una forma muy similar y sus valores coinciden en muchos puntos pero hay algunas zonas en la que se han registrado variaciones. Para trabajar de una forma más sencilla (sobre una sola curva, figura 45), se ha realizado la media de las tres curvas y para reflejar la reproducibilidad de los ensayos, se ha señalado la desviación estándar para ver el intervalo en el que pueden oscilar los valores. Figura 45: Curva de polarización media con la desviación estándar. Con esta misma curva de polarización media, figura 45, se ha calculado la potencia (multiplicando el voltaje por la intensidad) y se refleja en la figura 46: 73 Figura 46: Curva de potencia frente a densidad de corriente. Con estas gráficas queda concluida la segunda fase del ensayo (evaluación de las prestaciones de la celda previa a los ciclos de carga). La tercera fase es la correspondiente a los ciclos de conducción de NEDC. La primera gráfica que se va a representar corresponde con la evolución temporal de la densidad de corriente y el voltaje frente al tiempo. Es la misma gráfica que la figura 34 pero centrada sólo en la parte de los ciclos. Durante el ensayo se realizaron cinco ciclos con el objetivo de evaluar la durabilidad de la pila de combustible bajo unas condiciones normales en un vehículo. Estas condiciones están caracterizadas por los cambios de carga. La durabilidad es un aspecto muy importante en las pilas de combustible y se necesitan 5.000 h para que una pila de combustible sea considerada como apta para aplicación en automoción, según los objetivos del DOE [21]. La durabilidad de la celda puede ser medida aplicando una carga repetitiva y midiendo la degradación que sufre el rendimiento de la celda. El protocolo JRC [16] propone como prueba aplicar un perfil de carga basado en el NEDC teniendo en cuenta las modificaciones necesarias para el posterior funcionamiento de la pila de combustible en automoción, según se ha indicado en los apartados 4.1 y 4.3. 6.2.3- Ciclos de carga NEDC El ensayo de los ciclos de carga se ha realizado en las condiciones de operación de referencia y aunque el protocolo JRC [16] propone que se repitan los ciclos 500 veces, se realizaron 5 repeticiones en el laboratorio (por cuestiones de disponibilidad de tiempo de ensayo y de disponibilidad de fungibles/gases). Los puntos de operación introducidos (tabla 8) al banco de ensayos como perfil de carga frente al tiempo para cada ciclo se han determinado a partir del porcentaje de carga nominal obtenido en el ensayo previo (según se ha indicado en el apartado 6.1) siguiendo las indicaciones del protocolo de ensayos [16]. 80 Se ha constatado la necesidad de realizar ensayos de pilas de combustible según protocolos armonizados para identificar las prestaciones y los fenómenos de degradación en pilas de combustible. 81 8-REFERENCIAS 1. Fernandez-Reyes, R. El Acuerdo de París y el cambio transformacional. Relaciones ecosociales y cambio global Nº 132 2016, pp. 101-114 2. The Fuel Cell industry review 2019, Ed. E4Tech 3. Rettig, K. (2018, 5 diciembre). Consejo Europeo-Consejo de la Unión Europea. Recuperado de https://www.consilium.europa.eu/es/press/pressreleases/2018/12/05/new-eu-rules-will-improve-security-of-electricity-supply-in-crisis- situations/ 4. Martínez Bejarano, J. (2020, 3 marzo). 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Lifetime prediction of a polymer electrolyte membrane fuel cell under automotive load cycling using a physically-based catalyst degradation model. Energies 2018, 11, 2054. 21. Ramírez-Cruzado, A.; Ramírez-Peña, B.; Vélez-García, R.; Iranzo, A.; Guerra, J. Experimental Analysis of the Performance and Load Cycling of a Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell. Processes 2020, 8, 608. (Factor de Impacto: 2.753) 22. Jaesu Han.; Jaeyoung Han.; Sangseok Yu. Experimental analysis of performance degradation of 3-cell PEMFC stack under dynamic load cycle. Science Direct,2020,03,18 83 ANEXO: PUBLICACIONES A partir de los ensayos experimentales se han publicado los siguientes artículos en revistas internacionales: Ramírez-Cruzado, A.; Ramírez-Peña, B.; Vélez-García, R.; Iranzo, A.; Guerra, J. Experimental Analysis of the Performance and Load Cycling of a Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell. Processes 2020, 8, 608. (Factor de Impacto: 2.753) Ramírez-Cruzado, A.; Ramírez-Peña, B.; Vélez-García, R.; Iranzo, A.; Guerra, J. Data from Experimental Analysis of the Performance and Load Cycling of a Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell. Data 2020, 5, 47. 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 6 of 16 Processes 2020, 8, x FOR PEER REVIEW 6 of 17 Figure 4. Polarization curve for temperature tests. Forward curve (increasing current) at the bottom; backward curve (decreasing current) at the top. Error bars corresponding to the three repetitions are included for each measurement point. 3.3. Pressure Tests The objective of the pressure tests was to assess the cell performance variations when operating at the reactants pressure values indicated in Table 1. Pressure variations affected the fuel cell performance due to different phenomena, such as variation in open circuit voltage (OCV), fuel crossover due to pressure differences, effects caused by the different partial pressure of reactants and water (electrochemical kinetics, liquid/vapor equilibrium), and mass transfer phenomena [11]. The resulting polarization curves corresponding to the pressure tests in Table 1 are depicted in Figure 5, together with the reference condition curve, for comparison. Figure 5. Polarization curve for pressure tests. Forward curve (increasing current) at the bottom; backward curve (decreasing current) at the top. Error bars corresponding to the three repetitions are included for each measurement point. 3.4. Cathode Stoichiometry Tests The objective of the cathode stoichiometry test was to assess the cell performance variations when operating at the reactants pressure values indicated in Table 1. The air mass flow being Figure 4. Polarization curve for temperature tests. Forward curve (increasing current) at the bottom; backward curve (decreasing current) at the top. Error bars corresponding to the three repetitions are included for each measurement point. 3.3. Pressure Tests The objective of the pressure tests was to assess the cell performance variations when operating at the reactants pressure values indicated in Table 1. Pressure variations affected the fuel cell performance due to different phenomena, such as variation in open circuit voltage (OCV), fuel cross-over due to pressure differences, effects caused by the different partial pressure of reactants and water (electrochemical kinetics, liquid/vapor equilibrium), and mass transfer phenomena [11]. The resulting polarization curves corresponding to the pressure tests in Table 1are depicted in Figure 5, together with the reference condition curve, for comparison. Processes 2020, 8, x FOR PEER REVIEW 6 of 17 Figure 4. Polarization curve for temperature tests. Forward curve (increasing current) at the bottom; backward curve (decreasing current) at the top. Error bars corresponding to the three repetitions are included for each measurement point. 3.3. Pressure Tests The objective of the pressure tests was to assess the cell performance variations when operating at the reactants pressure values indicated in Table 1. Pressure variations affected the fuel cell performance due to different phenomena, such as variation in open circuit voltage (OCV), fuel crossover due to pressure differences, effects caused by the different partial pressure of reactants and water (electrochemical kinetics, liquid/vapor equilibrium), and mass transfer phenomena [11]. The resulting polarization curves corresponding to the pressure tests in Table 1 are depicted in Figure 5, together with the reference condition curve, for comparison. Figure 5. Polarization curve for pressure tests. Forward curve (increasing current) at the bottom; backward curve (decreasing current) at the top. Error bars corresponding to the three repetitions are included for each measurement point. 3.4. Cathode Stoichiometry Tests The objective of the cathode stoichiometry test was to assess the cell performance variations when operating at the reactants pressure values indicated in Table 1. The air mass flow being Figure 5. Polarization curve for pressure tests. Forward curve (increasing current) at the bottom; backward curve (decreasing current) at the top. Error bars corresponding to the three repetitions are included for each measurement point. 3.4. Cathode Stoichiometry Tests The objective of the cathode stoichiometry test was to assess the cell performance variations when operating at the reactants pressure values indicated in Table 1. The air mass flow being supplied to the cell had a clear influence in terms of oxygen transport, liquid water removal capability, and also membrane dry-out, depending on the relative humidity of the air. It also generated parasitic losses, as usually the air supply is managed by a compressor in final applications. The resulting polarization curves corresponding to the cathode stoichiometry tests in Table 1are depicted in Figure 6, together with the reference condition curve, for comparison. 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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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/). 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/).