Validación de un Modelo de Celda de Combustible de Hidrógeno basado en Membranas de Intercambio Protónico

Abstract

[ES] La tecnología de celdas de combustible de hidrógeno se ha establecido como una alternativa prometedora para la producción de energía eléctrica en diversos sectores, especialmente en el transporte, gracias a su alta eficiencia energética, bajo impacto ambiental y la posibilidad de utilizar hidrógeno como combustible renovable. En los últimos años, esta tecnología ha experimentado un avance significativo, y se espera que su uso se expanda en el futuro, lo que hace necesario el desarrollo de modelos computacionales precisos y confiables que permitan simular su funcionamiento con el fin de optimizar su diseño y mejorar su rendimiento.

En este contexto, el presente Trabajo Final de Máster se enfoca en la validación exhaustiva de un modelo de celda de combustible de hidrógeno, que ha sido desarrollado por el Instituto Universitario CMT-Motores Térmicos. El objetivo principal de este trabajo es contribuir al desarrollo de una herramienta computacional que pueda simular de manera precisa el funcionamiento de las celdas de combustible de hidrógeno y, de esta manera, identificar las fortalezas y limitaciones del modelo existente. Para lograr este propósito, , se validará el modelo con datos experimentales obtenidos de la literatura científica, seleccionando diferentes casos de estudio que permitan evaluarlo en diferentes condiciones de operación. Una vez validado, s se realizará un análisis detallado de las pérdidas por resistencia óhmica, activación y difusión, que son las principales fuentes de pérdida de potencial en las celdas de combustible de hidrógeno, predichas por el modelo. Además, se analizará el efecto que tienen las concentraciones de oxígeno y otros factores clave, como la presión, la temperatura y la humedad, en el rendimiento de la celda.

Como resultado, se espera contribuir al mejoramiento del modelo de celda de combustible de hidrógeno desarrollado por el Instituto Universitario CMT-Motores Térmicos y establecer una base sólida para el desarrollo de futuros trabajos de investigación en este campo, con el fin de avanzar en la implementación de la tecnología de celdas de combustible de hidrógeno como una alternativa sostenible para la producción de energía eléctrica en diferentes sectores industriales y de transporte.

[EN] The technology of hydrogen fuel cells has established itself as a promising alternative for electricity production in various sectors, especially in transportation, thanks to its high energy efficiency, low environmental impact, and the possibility of using hydrogen as a renewable fuel. In recent years, this technology has experienced significant advancement, and it is expected to expand its use in the future, making it necessary to develop accurate and reliable computational models that can simulate its operation in order to optimize its design and improve its performance. In this context, this Master's Final Project focuses on the exhaustive validation of a hydrogen fuel cell model developed by the CMT-Thermal Engines University Institute. The main objective of this work is to contribute to the development of a computational tool that can accurately simulate the operation of hydrogen fuel cells and, thus, identify the strengths and limitations of the existing model. To achieve this purpose, the model will be validated with experimental data obtained from scientific literature, selecting different case studies that allow for evaluation under various operating conditions. Once validated, a detailed analysis of losses due to ohmic resistance, activation, and diffusion, which are the main sources of potential loss in hydrogen fuel cells as predicted by the model, will be conducted. Additionally, the effect of oxygen concentrations and other key factors, such as pressure, temperature, and humidity, on cell performance will be analyzed. As a result, it is expected to contribute to the improvement of the hydrogen fuel cell model developed by the CMT-Thermal Engines University Institute and establish a solid foundation for future research efforts in this field, with the aim of advancing the implementation of hydrogen fuel cell technology as a sustainable alternative for electricity production in various industrial and transportation sectors.

[CAT] La tecnologia de cel·les de combustible d'hidrogen s'ha establert com una alternativa prometedora per a la producció d'energia elèctrica en diversos sectors, especialment en el transport, gràcies a la seua alta eficiència energètica, baix impacte ambiental i la possibilitat d'utilitzar l'hidrogen com a combustible renovable. En els últims anys, aquesta tecnologia ha experimentat un avanç significatiu, i s'espera que el seu ús s'amplie en el futur, la qual cosa fa necessari el desenvolupament de models computacionals precisos i fiables que permeten simular el seu funcionament amb la finalitat d'optimitzar el seu disseny i millorar el seu rendiment. En aquest context, el present Treball Final de Màster se centra en la validació exhaustiva d'un model de cel·la de combustible d'hidrogen, que ha estat desenvolupat per l'Institut Universitari CMT-Motors Tèrmics. L'objectiu principal d'aquest treball és contribuir al desenvolupament d'una eina computacional que puga simular de manera precisa el funcionament de les cel·les de combustible d'hidrogen i, d'aquesta manera, identificar les forces i limitacions del model existent. Per a aconseguir aquest propòsit, es validarà el model amb dades experimentals obtingudes de la literatura científica, seleccionant diferents casos d'estudi que permeten avaluar-lo en diferents condicions d'operació. Un cop validat, es realitzarà una anàlisi detallat de les pèrdues per resistència òhmica, activació i difusió, que són les principals fonts de pèrdua de potencial en les cel·les de combustible d'hidrogen, predites pel model. A més, es analitzarà l'efecte que tenen les concentracions d'oxigen i altres factors clau, com la pressió, la temperatura i la humitat, en el rendiment de la cel·la. Com a resultat, s'espera contribuir a la millora del model de cel·la de combustible d'hidrogen desenvolupat per l'Institut Universitari CMT-Motors Tèrmics i establir una base sòlida per al desenvolupament de futurs treballs de recerca en aquest camp, amb la finalitat d'avançar en la implementació de la tecnologia de cel·les de combustible d'hidrogen com a alternativa sostenible per a la producció d'energia elèctrica en diferents sectors industrials i de transport.