Evaluación numérica del efecto de la geometría de los canales gaseosos de una pila de combustible de membrana de intercambio protónico mediante un modelo explícito de orden reducido

Abstract

[ES] La preocupaci´on por la contaminaci´on, el cambio clim´atico y la conservaci´on de nuestro planeta llevan d´ecadas entre nosotros. Organizaciones intergubernamentales y gobiernos est´an endureciendo las restricciones de emisiones de gases de efecto invernadero (GEI). En la Uni´on Europea, la comercializaci´on de autom´oviles de combusti´on quedar´a prohibida a partir del a˜no 2035, dejando a los veh´ıculos el´ectricos de bater´ıas y los de pila de combustible como las dos ´unicas alternativas. Las bater´ıas presentan limitaciones, como su reducida autonom´ıa y sus elevados tiempos de carga. Sin embargo, las pilas de combustible, como las de hidr´ogeno, solventan estos problemas y presentan un futuro prometedor, pues no s´olo son una fuente de energ´ıa limpia, sino que tambi´en tienen una elevada eficiencia manteniendo un tama˜no compacto, lo que las hace ideales para aplicaciones automovil´ısticas. Por todas estas razones, la investigaci´on en el campo de las pilas de combustible resulta de una gran importancia en la actualidad. Este trabajo se enfoca precisamente en este ´ambito, utilizando un modelo computacional de pila de combustible tipo PEM. Con este, se llevan a cabo dos estudios: uno analiza el efecto de la geometr´ıa de los canales gaaseosos y el otro examina la variaci´on del espesor de estos canales. Ambos estudios comparan dos estequiometr´ıas distintas. Las dos geometr´ıas evaluadas son la de serpent´ın y la de canales rectos paralelos (CRP). Con el estudio del efecto de la geometr´ıa se ha comprobado que, para bajas estequiometr´ıas (normalmente utilizadas), escalando los caudales de alimentaci´on para mantener la velocidad del flujo advectivo, la curva de polarizaci´on para la geometr´ıa de CRP alcanza mayores densidades de corriente que la de la goemetr´ıa de seprent´ın, pues esta ´ultima presenta una mayor longitud total. Si el escalado del caudal se realiza para mantener el mismo factor estequiom´etrico, apenas hay diferencias entre las curvas de polarizaci´on, aunque si que cabe destacar que en la geometr´ıa de CRP hay una menor variaci´on de la concentraci´on de las especies a lo largo del canal, lo que puede disminuir la degradaci´on la membrana. Con el estudio de la variaci´on del espesor de los canales, se ha comprobado que, para bajas estequiometr´ıas, el aumento del espesor provoca una disminuci´on de la densidad de corriente alcanzada, mientras que la disminuci´on del espesor provoca un aumento de la misma.

[CA] La preocupaci´o per la contaminaci´o, el canvi clim`atic i la conservaci´o del nostre planeta porten d`ecades entre nosaltres. Organitzacions intergovernamentals i governs estan endurint les restriccions d’emissions de gasos amb efecte d’hivernacle (GEI). A la Uni´o Europea, la comercialitzaci´o d’autom`obils de combusti´o quedar`a prohibida a partir de l’any 2035 i deixar`a els vehicles el`ectrics de bateries i els de pila de combustible com les dues ´uniques alternatives. Les bateries presenten limitacions, com ara la seva redu¨ıda autonomia i els elevats temps de c`arrega. Tot i aix`o, les piles de combustible, com les d’hidrogen, resolen aquests problemes i presenten un futur prometedor, ja que no nom´es s´on una font d’energia neta, sin´o que tamb´e tenen una elevada efici`encia mantenint una mida compacte, cosa que les fa ideals per a aplicacions automobil´ıstiques. Per totes aquestes raons, la investigaci´o en el camp de les piles de combustible resulta de gran import`ancia actualment. Aquest treball s’enfoca precisament a aquest `ambit, utilitzant un model computacional de pila de combustible tipus PEM. Amb aquest, es duen a terme dos estudis: un analitza l’efecte de la geometria dels canals gaaseosos i l’altre examina la variaci´o de l’espessor d’aquests canals. Tots dos estudis comparen dues estequiometries diferents. Les dues geometries avaluades s´on la de serpent´ı i la de canals rectes paral·lels (CRP). Amb l’estudi de l’efecte de la geometria s’ha comprovat que, per a baixes estequiometries (normalment utilitzades), escalant els cabals d’alimentaci´o per mantenir la velocitat del flux advectiu, la corba de polaritzaci´o per a la geometria de CRP assoleix m´es densitats de corrent que la de la goemetria de seprent´ı, ja que aquesta ´ultima presenta una major longitud total. Si l’escalat del cabal es realitza per mantenir el mateix factor estequiom`etric, amb prou feines hi ha difer`encies entre les corbes de polaritzaci´o, encara que s´ı que cal destacar que a la geometria de CRP hi ha una menor variaci´o de la concentraci´o de les esp`ecies al llarg del canal, cosa que pot disminuir la degradaci´o la membrana. Amb l’estudi de la variaci´o de l’espessor dels canals, s’ha comprovat que, per a baixes estequiometries, l’augment de l’espessor provoca una disminuci´o de la densitat de corrent assolida, mentre que la disminuci´o de l’espessor en provoca un augment.

[EN] Concerns about pollution, climate change and the conservation of our planet have been with us for decades. Intergovernmental organizations and governments are tightening restrictions on greenhouse gas (GHG) emissions. In the European Union, the marketing of combustion cars will be banned from 2035, leaving battery electric and fuel cell vehicles as the only two alternatives. Batteries have limitations, such as their reduced range and long charging times. However, fuel cells, such as hydrogen fuel cells, overcome these problems and present a promising future, as they are not only a clean source of energy, but also have high efficiency while maintaining a compact size, making them ideal for automotive applications. For all these reasons, research in the field of fuel cells is currently of great importance. This work focuses precisely on this field, using a computational model of a PEM fuel cell. With this, two studies are carried out: one analyzes the effect of the geometry of the gas channels and the other examines the variation of the thickness of these channels. Both studies compare two different stoichiometries. The two geometries evaluated are serpentine and parallel straight channels (PSC). By studying the effect of geometry, it has been found that, for low stoichiometries (normally used), by scaling the feed flow rates to maintain the advective flow velocity, the polarization curve for the PSC geometry reaches higher current densities than that of the serpentine geometry, since the latter has a longer total length. If the flow rate is scaled to maintain the same stoichiometric factor, there are hardly any differences between the polarization curves, although it should be noted that in the PSC geometry there is less variation in the concentration of the species along the channel, which may decrease the degradation of the membrane. With the study of the variation of the thickness of the channels, it has been found that, for low stoichiometries, the increase of the thickness causes a decrease of the current density reached, while the decrease of the thickness causes an increase of the same.