Relación entre los parámetros estructurales y la potencia de un canal de una celda de combustible de intercambio protónico

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

Ciudad autonoma de Buenos Aires

Congreso; 103a REUNION DE LA ASOCIACION FISICA ARGENTINA; 2018

ASOCIACION FISICA ARGENTINA

El uso de fuentes primarias de energía renovables ha sido ya ampliamente reconocido como la alternativamás viable para resolver los problemas asociados con la combustión de los combustibles fósiles; tales como su ineficiencia operacional, el agotamiento de las reservas y la contaminación ambiental. Por sus características de funcionamiento, las celdas de combustible de intercambio protónico PEM son hasta la actualidad las másadecuadas para la utilización en los sistemas de transporte y el sector aeroespacial. Estos sistemas deben complementarse con dispositivos electroquímicos de acumulación de electricidad que garanticen la potencia necesaria para la propulsión cuando sea requerida. A pesar de que estos sistemas se conocen desde el siglo XIX, no ha sido hasta finales del siglo pasado cuando se han comenzado a estudiar y desarrollar más profundamente. Se han realizados grandes avances, pero todavía es posible mejorar y optimizar los materiales que forman los diferentes elementos de las pilas, así como los procesos que tienen lugar en su interior. Para alcanzar alta eficiencia de conversión y máxima velocidad de drenaje de corriente en los dispositivos electroquímicos, es necesario minimizar las perdidas de energía de los procesos involucrados. De ahí, la necesidad de desarrollar técnicas que posibiliten integrar sistemas reduciendo las perdidas y garantizando la mejor prestación de la celda de combustible. Es importante también tener en cuenta que la membrana polimérica que se usa en estas pilas debe permanecer hidratada para mantener su conducción protónica a niveles óptimos. Debido a las características de los polímeros con los que están hechas la mayoría de las membranas hoy en día, la temperatura no puede exceder de 80˚C. Sin embargo, un aumento en la temperatura de operación favorece la cinética de las reacciones químicas. Por otro lado, debido a la reacción exotérmica que se produce en el cátodo, la temperatura de trabajo tiende a elevarse paulatinamente, siendo este hecho mas relevante conforme mas potencia eléctrica genera el sistema. Diversos estudios se han realizado sobre la forma del perfil de los canales de flujo, en relación a la distribución de reactivos y el rendimiento de la celda. En el presente trabajo se utilizó un modelo multifisico 3D de un único canal de una PEMFC. Se diseño un modelo experimental factorial para estudiar la relación entre la longitud, el ancho y la profundidad del canal, así como la distancia que separa dos canales próximos para obtener la mejor curva de polarización; bajo las mismas condiciones de operación. Se considero el estado estacionario de la PEMFC, un sistema isotérmico, los gases con un comportamientoideal, un flujo laminar y solo la fase gaseosa de todos los fluidos. En el presente trabajo se modelaronla membrana, las placas terminales, los canales de difusión, la capa difusora de gases, la capa catalítica, tanto para el ánodo como para el cátodo. Además, se consideraron los fenómenos de transporte de materia, energíay los fenómenos electroquímicos asociados. Para esto se realizo la simulación del sistema mediante el programaCOMSOL® Multiphysics, resolviendo numéricamente las expresiones relativas a cada fenómeno con el método de elementos finitos. Para el modelo se utilizaron las siguientes ecuaciones: Para modelar las cinéticas químicasen las capas catalíticas se utilizaron la ecuación de Tafel para modelar la reacción de reducción del oxigeno en elcátodo y la ecuación de Butler-Volmer para modelar la reacción de oxidación del hidrogeno propia del _ánodo. El transporte de materia en medio poroso se modela mediante la Ecuación de Brinkman, extiende la ley de Darcy para describir la disipación de energía cinética por esfuerzos viscosos. Las ecuaciones de Navier-Stokes se utilizan para modelar el flujo libre y lo canales de distribución. El transporte de especies se considera multicomponente, y es ajustado mediante las ecuaciones de difusión de Stefan-Maxwell. La interfaz eléctrica es dominada por la Ley de ohm para conductividad electrónica en la GDL y placas bipolares y para la conducción protónica en la membrana, afectada por el contenido de agua en la membrana. Los resultados preliminares arrojan que la longitud de los canales tiene una mayor influencia en la relación de potencia de las PEMFC.