Modelización del comportamiento estacionario de una pila de combustible tipo PEM

Abstract

[ES] La situación energética en la actualidad es insostenible puesto que la mayoría de las energías provienen de combustibles fósiles, siendo estos una fuente de energía finita y contaminante para el medio ambiente. Por consiguiente, ha sido necesario el desarrollo de energías limpias y renovables. Un ejemplo de ello ha sido el desarrollo de pilas de combustible de hidrógeno que permiten obtener energía de manera limpia y eficiente, estas consumen hidrógeno y oxígeno para generar electricidad, agua y calor. En este trabajo de fin de grado, a partir de ahora TFG, se ha planteado un modelo matemático sobre el comportamiento estacionario de una pila de combustible de membrana polimérica de intercambio de protones. La curva de polarización permite caracterizar el funcionamiento de la pila y se puede utilizar a efectos de diseño, diagnóstico y control, por lo tanto es muy interesante tener una ecuación que permita determinar la curva de polarización. La curva de polarización suele empezar con el potencial de circuito abierto, luego la corriente va aumentando mientras que el potencial disminuye, debido a las pérdidas por activación, a la resistencia de la membrana y a las pérdidas asociadas a la resistencia a la transferencia de materia, por esta razón, la curva de polarización se divide en tres zonas. En este TFG se han estudiado las ecuaciones que definen el potencial ideal y las tres zonas por separado. Una vez obtenido el modelo para cada una de las partes se ha analizado el efecto en la curva de polarización de las condiciones de operación como la presión, la temperatura y la humedad de las corrientes de entrada. A modo de conclusión, se ha observado que un aumento de la temperatura o de la presión influye de manera positiva en prácticamente toda la curva de polarización, a excepción del incremento de la temperatura para las pérdidas asociadas a la resistencia a la transferencia de materia. Por otro lado, un aumento de la humedad de los gases hará que el contenido de agua de la membrana aumente, por lo tanto, bajarán las pérdidas óhmicas.

[CA] La situació energètica actual no es pot sostindre perquè la major part de les energies vénen de combustibles fòssils i aquests són una font d´energia finita i contaminant per al medi ambient. Per tant, ha sigut necessari el desenvolupament d´energies netes i renovables. Un eixemple d`açò ha sigut el desenvolupament de piles de combustible de hidrogen, amb les que es pot obtindre energia neta i eficient. El seu funcionament es basa en el consum d’hidrogen i oxigen per a obtindre electricitat, aigua i calor. En aquest treball de fi de grau, a partir d´ara TFG, s’ha plantejat un model matemàtic sobre el comportament estacionari d´una pila de combustible de membrana polimèrica d’intercanvi de protons. La corba de polarització permiteix caracteritzar el funcionament de la pila i es pot utilizar a efectes de disseny, diagnòstic i control. Per tant, és molt interessant tindre una equació que permet determinar la corba de polarització. La corba de polarització sol començar amb el potencial de circuit obert. Després, el corrent va aumentant al mateix temps que el potencial va disminuint, degut a les pèrdues per activació, a la resistència de la membrana i a les pèrdues associades a la resistència a la transferència de matèria. Per això, la corba de polarització es divideix en tres parts. En aquest TFG s’han estudiat les ecuacions que defineixen el potencial ideal i les tres parts per separat. Una vegada obtingut el model per a cadascuna de les parts, s’ ha analitzat el efecte en la corba de polarització de les condicions d’operació, com la pressió, la temperatura i la humitat de les corrents d´entrada. Com a conclusió, s’ha observat que un aument de la temperatura o de la pressió influeix de manera positiva en pràcticament tota la corba de polarització, excepte del increment de la temperatura per a les pèrdues associades a la resistència a la transferència de matèria. Per altra banda, un aument de la humitat dels gasos farà que el contingut d’aigua de la membrana aumente, i per tant, baixaràn les pèrdues òhmiques.

[EN] Nowadays the energetic situation is untenable because most of energies are provided from fossil fuels which are endless power sources with harmful effects for the environment. That is the reason why it has been essential to develop clean and renewable energies. An excellent example which shows that need is the growth of hydrogen fuel cells. By the use of these cells, we obtain energy by a clean and efficient way. In this Bachelor’s thesis a mathematical model about the steady state of a proton exchange membrane has been posed. The polarization curve defines the cell’s mechanism and can be used in order to determine the design, diagnostic and control. Hence, it is really engaging to have an equation establishing the polarization curve. The polarization curve is often begun with the open circuit potential. Then the current rises while the power decreases because of the activation losses, the membrane resistance, and the concentration polarization losses. Therefore, the polarization curve is divided in three zones. This Bachelor’s thesis has studied equations defining the theoretical fuel cell potential and the three zones separately. Once the model of each zone is obtained, we have analized the effect of the humidity gases on the polarization curve. All in all, we have realized that an increase of the temperature or pressure affects positively the polarization curve. However, there is an exception of this increase related to the mass transfer resistance. Furthermore, the humidity gases increase will make the water content of the membrane rise, thus, the ohmic losses will decrease.