Celdas De Combustible

ESTRATEGIAS GEOMETRICAS Y DE FLUJO PARA AUMENTAR LA POTENCIA DE UNA CELDA DE COMBUSTIBLE TIPO PEM

Carlos Ulises González Valle 1, Miguel Torres Cisneros2

1Universidad de Guanajuato, gonzalezv.cu@gmail.com, 2Universidad de Guanajuato, mtorres@ugto.mx

RESUMEN

Las celdas de combustible a base de hidrógeno es una de las tecnologías en desarrollo con mayor crecimiento en los últimos años, la cual busca una alternativa para la generación de energía no dependiente de los combustibles fósiles. El modelo a analizar en este trabajo es una canal convencional para una celda de combustible tipo PEM, se agregaran obstrucciones en forma de aleta a lo largo de los canales de distribución. En este estudio se analiza el efecto de variar el ángulo al que las aletas son orientadas, se toman 3 diferentes valores, 45°, 90° y 135°; estos se compararan con un canal recto convencional sin obstrucciones (del que se tienen resultados experimentales). El presente analisis tiene como objetivo verificar si las obstrucciones logran generar un aumento en el flujo de corriente y tiempo de residencia del combustible.

PALABRAS CLAVES

MEA (Membrane-Electrode Assembly), Energía, PEM, celdas de combustible.

INTRODUCCIÓN

En los últimos años, el estudio de las celdas de combustible ha evolucionado enormemente con el desarrollo y la implementación de herramientas de análisis numérico con software especializado como ANSYS y Comsol Multiphysics.

La energía transformada en una celda de combustible es una de las fuentes de energía que está tomando cada vez más fuerza conforme avanza el tiempo La importancia de este tipo de dispositivos radica principalmente en la disponibilidad que se tiene alrededor del mundo, es decir, se tiene la disponibilidad para producir y almacenar energía a base de hidrogeno en todo lugar y, debido a la creciente demanda energética que existe, esta energía es un recurso que se debe utilizar eficientemente.

Existe una gran variedad de celdas de combustible, estas son un dispositivo de transformación energética muy prometedor para nuestro futuro próximo. Las celdas de combustible tipo PEM son de las más importantes en este tipo de tecnologías por su fiabilidad y facilidad en la operación. Se ha mostrado que en el mundo ha ocurrido un incremento del 50% en la potencia total generada, entre los años 2011 y 2012 [1].

La celda de combustible de membrana de intercambio protónico, PEMFC, toma su nombre del tipo de membrana especial que usa como electrolito. Las reacciones químicas que toman lugar en el fenómeno para el ánodo (1), para el cátodo (2) y globalmente (3) son:

H_2→2H_2^++2e^- 1)

〖( 1)/2 O〗_2+2H_2^++2e^-→H_2 O 2)

H_2+1/2 O_2→H_2 O 3)

El hidrogeno se introduce a la celda por el lado del ánodo donde es conducido a lo largo del canal. Luego, se dispersa a través de la capa de difusión lo que permite una mejor distribución de los gases. Cuando el hidrogeno llega al catalizador este se disocia en electrones y cationes de hidrogeno, como se indica en la Ec. (1). La membrana actúa como un conductor protónico permitiendo el paso de los cationes de hidrogeno al lado del cátodo. Los electrones circulan a través de un circuito externo hasta llegar nuevamente a la celda por el lado del cátodo. El oxígeno entra por el lado del cátodo y guiado por su canal, se distribuye a través de las capas de difusión, ver Ec. (2). Cuando el oxígeno llega al catalizador, este reacciona con los electrones y los cationes de hidrogeno formando agua, ver Ec. (3). La Figura 1 muestra el proceso anterior de una manera simplificada.

Existen una gran cantidad de estudios relacionados con la forma y el arreglo de los canales para arreglos convencionales por ejemplo el serpentín, el arreglo óptimo encontrado, hasta hoy en día [2-3]. Se ha demostrado que una forma de incrementar la potencia máxima entregada es modificando la geometría interior del canal, Fontana [4] analizó geometrías que tenían un área transversal modificada.

La finalidad de este trabajo es encontrar una configuración que genere un incremento en la potencia para un canal recto usando como comparación el modelo y los resultados de experimentación mostrados por Sukkee Um, C.Y. Wang [5] en el año 2003, el cual detalla la metodología y parametrización para el estudio de una celda de combustible tipo PEM con configuración de canal recto. Este modelo fue desarrollado con los parámetros ya descritos para su estudio, mediante una técnica de volumen finito, en la Figura 1 se muestra el modelo realizado por Sukkee Um, C.Y. Wang.

Como se logra apreciar en la Figura 3, la geometría analizada es muy sencilla para modelar desde el punto de vista numérico; sin embargo, la importancia de este trabajo recae en la realización de la experimentación y parametrización del modelo, este nos sirve como base para la comparativa de futuras mejoras.

Recientemente se han presentado varios trabajos orientados a la variación de este tipo de geometrías como la mostrada por Cano et al. [6], en donde se propone la colocación de obstáculos a lo largo del canal con la finalidad de retener el flujo y con esto el tiempo de residencia del mismo; sin embargo, hasta la fecha no se ha realizado un estudio como el que se plantea en este trabajo, el ya mencionado aprovecha la forma de las obstrucciones para evitar caídas de presión y aumentar el tiempo de residencia del flujo.

MATERIALES Y MÉTODOS

Material:

El material utilizado para el desarrollo de esta investigación fue únicamente el equipo de cómputo con el que se cuenta en la Universidad de Guanajuato, el cual permitió la simulación del modelo numérico el cual, por su magnitud, requiere de características especiales, no encontradas en cualquier equipo.

Métodos:

En primera instancia se procedió a construir el modelo geométrico, el que será utilizado después para el análisis.

En la Figura 4 se muestra una de las configuraciones estudiadas, la cual presenta obstrucciones a 45°, indicadas de color rojo, se puede

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