Parámetros estructurales optimizados de una celda de combustible de membrana de intercambio protónico

ROBLEDO FLORES DANIEL FERNANDO FEDERICO; FALAGÜERRA TOMÁS; CORREA PERELMUTER GABRIEL

Santa Fé

Congreso; 104a REUNION DE LA ASOCIACION FISICA ARGENTINA; 2019

ASOCIACION FISICA ARGENTINA

Las energ´ıas renovables son reconocidas como la alternativa m´as viable para resolver los problemas asociadoscon la combusti´on de los combustibles f´osiles; tales como su ineficiencia operacional, el agotamiento de las reservasy la contaminaci´on ambiental. Por sus caracter´ısticas de funcionamiento, las celdas de combustible de intercambioprot´onico (PEMFC) son consideradas como la tecnolog´ıa que mejor resuelve los problemas antes mencionados, yaque poseen alta eficiencia y su subproducto de reacci´on es agua. Estos sistemas se conocen desde el siglo XIX, perono ha sido hasta la crisis del petr´oleo de 1973 que se profundiz´o su estudio. Se realizaron grandes avances, perotodav´ıa es posible mejorar y optimizar los materiales que forman los diferentes elementos de las pilas, as´ı comolos procesos que tienen lugar en su interior. Para alcanzar alta eficiencia de conversi´on y m´axima velocidad dedrenaje de corriente en los dispositivos electroqu´ımicos, es necesario minimizar las p´erdidas de energ´ıa de losprocesos involucrados. De ah´ı, la necesidad de desarrollar t´ecnicas que posibiliten integrar sistemas reduciendo lasp´erdidas y garantizando la mejor prestaci´on de la celda de combustible. La membrana que poseen estas celdasdebe permanecer hidratada para una ´optima conducci´on i´onica y con temperaturas que no superen los 80◦C, paraevitar la evaporaci´on del agua. Sin embargo, un aumento en la temperatura de operaci´on favorece la cin´etica delas reacciones qu´ımicas. En el c´atodo se lleva a acabo una reacci´on exot´ermica que eleva la temperatura de trabajoconforme m´as potencia genera el sistema. Diversos estudios se han realizado sobre la forma del perfil de los canalesde flujo, en relaci´on a la distribuci´on de reactivos y el rendimiento de la celda. En el presente trabajo se utiliz´o unmodelo multif´ısico 3D de un ´unico canal de una PEMFC, y se dise?n´o un algoritmo optimizador para los par´ametrosestructurales del perfil trapezoidal is´osceles de los canales de una PEMFC para obtener una mayor potencia el´ectricaa las mismas condiciones de operaci´on. Los par´ametros considerados por el optimizador fueron el ancho superior,el ancho inferior, y la altura del perfil, manteniendo el ancho de la capa catal´ıtica constante. El modelo de laPEMFC consider´o al sistema estacionario, isot´ermico, gases con un comportamiento ideal, un flujo laminar y solola fase gaseosa de todos los fluidos. En el modelo se modelaron la membrana, las placas terminales, los canalesde difusi´on, la capa difusora de gases, la capa catal´ıtica, tanto para el ´anodo como para el c´atodo. Adem´as, seconsideraron los fen´omenos de transporte de materia, energ´ıa y los fen´omenos electroqu´ımicos asociados. Para estose realiz´o la simulaci´on del sistema mediante el programa COMSOL MultiphysicsR , resolviendo num´ericamentelas expresiones relativas a cada fen´omeno con el m´etodo de elementos finitos. Para el optimizador se utiliz´o elprograma MatlabR vinculandolo con COMOSOL MultiphyscisR por medio de COMSOL Server?. El optimizadorse bas´o en un algoritmo de pivote similar al simplex para encontrar la configuraci´on ´optima de los canales de laPEMFC. El optimizador fue eficiente, con un tiempo de c´alculo bajo, y se logr´o obtener un perfil de canal quemaximiza la potencia de la celda.