ANEXO 1: GUÍA DE OPERACIÓN DE LA MONOCELDA...

85

ANEXO

ANEXO 1: GUÍA DE OPERACIÓN DE LA MONOCELDA USADA

89

ANEXO 2: CURVA DE POLARIZACIÓN DE LOS ENSAYOS REALIZADOS

Curva de polarización del Ensayo 1

Las condiciones de operación del ensayo 1 se especifican en la Tabla 15.

Ensayo Pope (bar) αcátodo αánodo Tope(º C) HR (%)

1 3 2 1.5 55 50 Tabla 15. Condiciones de operación del Ensayo 1

La curva de polarización obtenida mediante el protocolo de operación FCTESTNET se muestra

en la Figura 43.

Figura 43. Resultado experimental de la curva de polarización y de potencia en el Ensayo 1

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45

Ten

sió

n (

V)

Densidad de corriente (A/cm2)

Ensayo 1

0

2

4

6

8

10

0 5 10 15 20 25

Po

ten

cia

(W)

Intensidad (A)

Ensayo 1

90




2 3 3.5 2 55 50 Tabla 16. Condiciones de operación del Ensayo 2


en la Figura 44.


0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35

Ten

sió

n (

V)


Ensayo 2

0

1

2

3

4

5

6

7

0 2 4 6 8 10 12 14 16

Po

ten

cia

(W)

Intensidad (A)

Ensayo 2

91






en la Figura 45.


0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45

Ten

sió

n (

V)


Ensayo 3

0

2

4

6

8

10

0 5 10 15 20 25

Po

ten

cia

(W)

Intensidad (A)

Ensayo 3

92




4 3 2 2 55 100 Tabla 18. Condiciones de operación del Ensayo 4


en la Figura 46.


0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35

Ten

sió

n (

V)


Ensayo 4

0

1

2

3

4

5

6

7

8

0 2 4 6 8 10 12 14 16

Po

ten

cia

(W)

Intensidad (A)

Ensayo 4

93


Las condiciones de operación del ensayo 1 se especifican en la Tabla 19


5 3 3.5 1.5 55 100 Tabla 19. Condiciones de operación del Ensayo 5


en la Figura 47.


0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45

Ten

sió

n (

V)


Ensayo 5

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

0 5 10 15 20 25

Po

ten

cia

(W)

Intensidad (A)

Ensayo 5

94






en la Figura 48.


0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45

Ten

sió

n (

V)


Ensayo 6

0

2

4

6

8

10

12

0 5 10 15 20 25

Po

ten

cia

(W)

Intensidad (A)

Ensayo 6

95






en la Figura 49.


0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4

Ten

sió

n (

V)


Ensayo 7

0

1

2

3

4

5

6

7

8

0 5 10 15 20

Po

ten

cia

(W)

Intensidad (A)

Ensayo 7

96






en la Figura 50.


0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4

Ten

sió

n (

V)


Ensayo 8

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

0 5 10 15 20

Po

ten

cia

(W)

Intensidad (A)

Ensayo 8

97






en la Figura 51.


0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4

Ten

sió

n (

V)


Ensayo 9

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

0 5 10 15 20

Po

ten

cia

(W)

Intensidad (A)

Ensayo 9

98






en la Figura 52.


0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4

Ten

sió

n (

V)


Ensayo 10

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

0 5 10 15 20

Po

ten

cia

(W)

Intensidad (A)

Ensayo 10

99

ANEXO 3: ESTADO DEL ARTE EN MODELOS CFD

Uno de los principales problemas que conlleva simular mediante técnicas de Fluidodinámica

Computacional un stack completo es el mallado que hay que generar para la geometría en

cuestión. Autores como S.Simpalee [46] o Z. Liu et al [47] han simulado stack de 6 monoceldas

usando mallados, en el caso de S.Simplalee de 4,8 millones de nodos. Debido al costo

computacional que supone resolver un problema con un mallado de tal envergadura, un stack

con un número de celdas muy elevado requiere un tiempo de cálculo y unos recursos

elevados. Por esta razón, la mayoría de los autores realizan simulación 3D de una sola

monocelda o incluso de un solo monocanal, analizando en profundidad algún fenómeno de los

que se produce en el stack, como por ejemplo el flujo multifásico, transporte de agua en la

membrana, transferencia de calor, distribución de presiones en capas porosas, etc. Sin

embargo, una gran ventaja que presenta los modelos realizados mediante técnicas CFD es que,

una vez que se ha validado, puede visualizarse localmente cualquier variable y observar como

se distribuye a lo largo de la pila de combustible. A continuación, se realiza una breve revisión

bibliográfica del modelado de pilas de combustible tipo PEM mediante CFD.

En primer lugar, destacar los trabajos realizados por Alfredo Iranzo tanto en su Tesis doctoral

[1] como en sus publicaciones [2,3] donde se modela completamente una monocelda tipo PEM

mediante técnicas CFD y valida dicho modelo con resultados experimentales. En este caso, el

autor simula una monocelda de 50 cm2 de área activa con dos configuraciones de placa bipolar

diferente (serpentín y paralelo).

El modelo CFD se realizo con el software comercial ANSYS FLUENT y tan solo se ha dejado

como parámetro de ajuste la densidad de corriente de referencia, el resto de parámetros

típicos de la monocelda se han determinado experimentalmente o se han buscado valores

típicos en la literatura actual. En la Figura 53 se observa los resultados obtenidos

experimentalmente y los obtenidos mediante técnicas CFD. Se observa que los resultados

obtenidos de la simulación se ajustan perfectamente a los datos experimentales. Para la

obtención de los datos experimentales, el autor hace uso del programa FCTESTNET que

estandariza la forma de obtener y tratar los resultados obtenidos en el banco de ensayo.

100

Figura 53. Resultados experimentales y numéricos de la curva de polarización [2]

Una vez validado el modelo, el autor presenta variables de interés tales como el contenido de

agua en la membrana, la distribución molar de oxigeno e hidrógeno en el cátodo, la

conductividad protónica en el plano medio de la membrana, el campo de temperaturas en la

membrana, la distribución de densidad de corriente y la pérdida de presión en los canales de la

placa bipolar, todo ello para diferentes valores de densidad de corriente.

Otro trabajo destacable es el realizado Al-Baghdadi [11] en el capitulo 7 del libro ``Fuel Cell

Research Trends´´. En dicho capítulo se detallan todas las ecuaciones que gobierna la

monoceldas y se explica cómo debe de realizarse una simulación CFD para el caso de una

monocelda. En dicho capítulo, el autor especifica todos los parámetros que ha usado para la

simulación a la vez que valida la curva de polarización obtenida mediante técnicas CFD. Una

vez validado los resultados, el autor muestra imágenes del campo de temperaturas, de

concentración molar de oxígeno e hidrógeno, contenido de agua en la membrana, etc.

101

Figura 54. Fracción másica de O2 en cátado (imagen de la izquierda) y distribución de temperatura en el plano medio de la membrana (imagen de la deracha) [3]

B.R.Sirverten & N.Djilali [48] realizan un modelo 3D de una monocelda mediante el Software

comercial Fluent 6.1. En la Figura 55 se observan los resultados obtenidos de la curva de

polarización y de potencia mediante técnicas CFD. Se aprecia que para las zonas de pérdidas

por activación y óhmicas la solución obtenida mediante CFD coincide con los resultados

experimentales, sin embargo, a altas densidades de corriente (zona de pérdidas por

concentración), los resultados experimentales y obtenidos mediante CFD cada vez difieren

más.

102

Figura 55.Curva de polarización y de potencia [48]

A pesar de obtener una solución muy aproximada a la real para bajas y medias densidades de

corriente, el modelo usado por B.R.Sirverten y N.Djilali [48] tiene simplificaciones. En este caso

no se ha modelado el flujo mutifásico (todo el agua que se produce es en fase gaseosa), la

membrana se ha supuesto que está completamente humidificada, se desprecia la

transferencia de calor debido a las pérdidas óhmicas en la placa bipolar, en la GDL y en la

membrana, la GDL se supone homogénea e isótropa y el sobrepotencial en el ánodo se supone

constante.

Otro trabajo de interés que también simula una monocelda es el realizado por A.D.Le y B.Zhou

[49]. En dicha simulación se tienen en cuenta todos los fenómenos relativos a la transferencia

de calor, transporte de especies, reacciones electroquímicas, distribución de densidad de

corriente y, en especial, la evacuación del agua líquida (Flujo multifásico). Las hipótesis que

realiza el autor son que considera los gases como ideales, el flujo es laminar a través de los

conductos, medio poroso isótropo en membrana, GDL y capa catalítica y la refrigeración es

controlada por convección. Algunos resultados de interés se muestran en la Figura 56.

a) Fracción másica de O2 b)Fracción másica de H2

103

c) Densidad de corriente d)Campo de temperaturas

Figura 56. Resultados de interés obtenidos por A.D.Le yB.Zhou [49]

C.M.Baca et al [50]realiza una simulación 3D de un solo monocanal (Ver Figura 57) con el fin de

obtener la distribución de temperaturas en la MEA.

Figura 57. Dominio de resolución mediante CFD de C.M.Baca

Para la realización del modelo se realizan una serie de hipótesis con el fin de simplificar el

problema. En este caso, el modelo tiene en cuenta los siguientes fenómenos:

- Flujo multicomponente.

- Transferencia de calor (conducción y convección).

- No se usa flujo multifásico.

- Transporte de especies a través del medio poroso.

- Reacciones electroquímicas.

- Carga eléctrica y conducción protónica.

Los resultados del campo de temperaturas en la MEA se muestran en la Figura 58. Se observa

que existen diferencias de temperaturas de unos 4ºC y que la parte delantera de la monocelda

se encuentra a más temperaturas. Además, la zona central de la MEA se encuentra a una

temperatura superior que el resto.

104

Figura 58. Distribución de temperatura en la MEA [50]

Además de mostrar el campo de temperaturas en la membrana, el autor representa multitud

de variables de interés como por ejemplo la distribución de densidad de corriente,

concentración de oxigeno e hidrógeno en el cátodo y ánodo, la distribución de potencial, etc

Una línea de trabajo de mucho interés, es la que utiliza CFD para el diseño de los canales de los

stack. En este aspecto, W.M .Yan et al [51] y Y.M.Ferng A. Su [52] han realizado excelentes

trabajos.

W.M.Yan et al [51] realiza un análisis variando tanto la altura como la anchura de los canales

del cátodo. De esta manera define los dos parámetros que se definen a continuación:

Ax=Hout/Hin y Az=Wout/Win

Donde H se refiere a la altura del canal de catado y W a la anchura. Por lo tanto, a no ser que la

relación de aspecto de ambas sea la unidad, los canales tendrán formas cónicas. Los resultados

que se obtienen de la curva de polarización y de potencia dejando constante una relación de

aspecto y variando la otra se muestran en la Figura 59.

105

a) Ax=1 b) Az=1

Figura 59. Curva de polarización y de potencia [51]

Las conclusiones que se sacan del estudio realizado son las siguientes:

1- La reducción en altura a la salida del canal del cátodo es beneficiosa debido a que

aumenta la eficiencia de uso del combustible y mejora las prestaciones de la celda.

2- Si el ancho del canal del tubo aumenta a lo largo del flujo, el área de contacto entre los

canales y la GDL aumenta, por lo tanto, aumenta la tasa de transporte de combustible

y el comportamiento de la celda mejora.

3- Al disminuir la altura, aumenta la velocidad de la corriente favoreciendo el transporte

del agua líquida hacia el exterior. Por otro lado, al aumentar el ancho del canal a lo

largo del flujo, la velocidad disminuye y la evacuación del agua líquida se complica.

4- Según los estudios realizados, el mejor rendimiento se obtiene para Ax=0,5 y Az=1,8.

En la misma temática, A.P. Manso et Al [53] realiza un análisis de sensibilidad variando el ratio

de altura y anchura para una configuración de serpentín. En este aspecto, los autores analizan

la distribución de velocidades a lo largo de los canales, la concentración de agua en la

membrana, la concentración de hidrógeno y oxigeno y la distribución de temperatura variando

el ratio altura/anchura del canal entre 0,07 y 15 (han simulado diez escenarios diferentes). Los

resultados muestran que para bajas densidades de corriente, el ratio altura/anchura del canal

no afecta a las prestaciones de la pila de combustible mientras que para altas densidades de

corriente, las prestaciones de la pila mejoran al aumentar dicho ratio. En la Figura 60 se

muestran dos gráficas que afirman el comportamiento descrito anteriormente.

106

Figura 60. Curva de polarización en función del ratio altura/anchura del canal [53]

En el caso Y.M.Ferng A. Su [52] estudió la diferencia entre canal con flujo paralelo y canal con

flujo serpentín (Ver Figura 61). En la resolución del modelo se considera que el flujo es laminar,

y que el sistema es isotermo (no se resuelve la transferencia de calor), todos los gases se

consideran ideales, se desprecia el efecto de la gravedad, se utiliza la ecuación de Stefan-

Maxwell para modelar la difusión de especies, las reacción electroquímicas se modelan con la

ecuación de Butler-Volmer en la capa catalítica y el transporte de protones a través de la

membrana se modela con la ecuación de Nert-Planck.

Figura 61. Canal con flujo paralelo (izquierda) y canal con flujo serpentín (paralelo) [52]

107

En primer lugar, los autores realizan una validación de los resultados obtenidos mediante CFD

con resultados experimentales. Para ello, calculan la curva de polarización y de potencia

mediante CFD y la comparan con la obtenida mediante un ensayo del stack en cuestión. En la

Figura 62 se observa que los resultados son similares.

a) Canal flujo en serpentín b) Canal flujo en paralelo

Figura 62. Validación de los resultados obtenidos mediante CFD [52]

En la Figura 63 se muestra el resultado obtenido de la densidad de corriente para una tensión

de 0,2 V. Para el caso de canal con flujo en paralelo, se observa en la zona central una

densidad de corriente prácticamente nula que disminuye las prestaciones de la celda. Por lo

tanto, a la vista de los resultados, la celda con canal en flujo serpentín tiene mejores

prestaciones.

b) Canal flujo en serpentín b) Canal flujo en paralelo

Figura 63. Densidad de corriente[52]

108

Otro grupo de investigadores (Oh Joong Kwon et al [54]) también realizan un estudió de como

varía la eficiencia de la pila de combustible al modificar la geometría de la placa bipolar. En

total, Oh Joong Kwon et al [54] analiza tres geometría diferentes, para ello, además de usar

técnicas CFD, los autores usan también la espectroscopía electroquímica cuyo objetivo es la

obtención de la resistencia real total de la monocelda introduciendo una intensidad de

corriente alterna.

Otro tipo de estudio que se realiza mediantes técnicas CFD es la distribución de flujos a través

de las celdas que componen un stack. Este tipo de estudios son importantes ya que, a priori, se

desconoce cuánto flujo circula a través de cada monocelda. C.H.Chen et al [55] realiza un

estudio mediante técnicas CFD en el que calcula la distribución de presiones y de flujo en un

stack compuesto por 72 monoceldas. Cada monocelda la modela como un medio poroso con

el fin de introducir la misma pérdida de carga que supone la monocelda real. Para calcular las

propiedades del medio poroso, se realiza experimentalmente un ensayo a diferentes

velocidades de entrada de aire y se mide la pérdida de presión a lo largo de la monocelda. Una

vez calculada la curva de pérdida de carga, la permeabilidad y el coeficiente de resistencia del

medio poroso se obtiene con un cálculo directo. La geometría en cuestión que se resuelve se

muestra en la Figura 64. Se observa que existe un conducto de entrada de aire y otro de

recogida, en medio existen tuberías que simulan las monoceldas.

Figura 64. Geometría del modelo de C.H.Chen [55]

La conclusión del estudio realizado es que a medida que se disminuye el caudal de aire, la

distribución de flujo que circula a través de cada celda se hace cada vez más uniforme. Los

resultados obtenidos de la pérdida de presión se muestran en la Figura 65

109

Figura 65. Pérdida de carga en el stack [55]

Otros autores como son los casos de K.Jiao y X.Li [39] ,Hua Meng [56], Peng Quan y Ming-Chia

Lai [57] o [58]se centran en el estudio de la gestión del agua líquida en el interior de la pila de

combustible. Dicho tema en cuestión es muy importante y existen muchas publicaciones

debido a que el agua generada en el electrodo como producto de la reacción bloquea

parcialmente los poros del electrodo y GDL, inhibiendo el transporte de oxigeno De esta forma

el agua líquida debe evacuarse de forma efectiva hasta la placa bipolar, pero sin embargo, la

evacuación de agua líquida debe compensarse con las necesidades de hidratación de la

membrana. Si la membrana no está adecuadamente hidratada su conductividad protónica

disminuye significativamente, aumentando las perdidas óhmicas de la pila y contribuyendo a la

perdida de durabilidad por la generación de puntos calientes en la membrana. En la Figura 66

se muestra una solución obtenida del trabajo realizado por K.Jiao y X.Li [39] en el que se

muestra el contenido de agua, la densidad de corriente y la distribución de temperaturas en la

interface membrana/CL.

Figura 66. Resultados obtenidos en la simulación realizada por K.Jiao y X.Li [39]

110

Hua Meng [59] desarrolló un modelo bidimensional en el que acopla el flujo bifásico y la

transferencia de calor en el cátodo. Una vez realizado el modelo, el autor realiza un análisis de

sensibilidad de la gestión de agua en el interior del stack para materiales con diferentes

porosidades y diferentes condiciones de operación (60-80 ºC).

a) Distribución del líquido saturado b) Distribución de temperaturas para Top=60ºC [56]

Figura 67. Resultados obtenidos por Hua Meng [56]

Peng Quan & Ming-Chia Lai [57] desarrollan un modelo simplificado de flujo bifásico en el

canal del cátodo. Los autores prueban con dos geometrías diferentes del canal, la primera con

las esquinas cuadradas y la segunda con las esquinas redondas. El autor concluye con que la

primera opción es mejor debido a que las esquinas proporcionan un espacio para la

acumulación de agua y vías para que el agua pueda subir a la superficie superior, dejando así

una mayor superficie de GDL para el transporte de reactivo.

Otro tema abordado mediante técnicas CFD es la introducción de la resistencia al contacto

entre la placa bipolar y la GDL. M.H. Akbari & R. Rismanchi [42] analizan dicha influencia

observado que disminuye la eficiencia cuando se tiene en cuenta dicho fenómeno. En primer

lugar el autor realiza una validación de su modelo CFD con datos experimentales obteniendo

los resultados mostrados en la Figura 68. Los autores destacan que las diferencias observadas

entre ambas curvas de polarización se debe a las simplificaciones que se han realizado delo

modelo CFD como por ejemplo que el agua tan solo existe en fase vapor. Por esta razón, la

curva difiere cada vez más a medida que aumenta la intensidad de corriente ya que es cuando

la generación de agua líquida aumenta.

111

Figura 68. Validación del modelo CFD desarrollado por M.H. Akbari & R. Rismanchi [42]

Una vez realizado la validación del modelo, el autor realizada varias simulaciones variando el

ancho del canal y la costilla, además de realizar para cada geometría una simulación con

resistencia al contacto y otra sin dicho fenómeno. En la Figura 69 se muestran las diferencias

observadas en la curva de polarización con y sin resistencia de contacto para una anchura del

canal de 1,2 mm y una anchura de la costilla de 0,8 mm, se observa que la curva de

polarización cae si se tiene en cuenta el fenómeno de resistencia de contacto entre la placa

bipolar y la GDL.

Figura 69. Curvas de polarización con y sin resistencia al contacto entre BP y GDL

Otro tema estudiado (muy poco estudiado) es la modelización de los medios porosos

existentes en una pila de combustible. En la mayoría de los modelos encontrados en la

literatura, el medio poroso se modela con la ley de Darcy, la cual introduce una pérdida de

presión en un medio poroso. Sin embargo, A. Kopanidis et al [60] modela directamente la

transferencia de calor y de masa en una porción de GDL y canal del catado, introduciendo en la

GDL la geometría de los poros (Ver Figura 70).

112

Figura 70. Geometría usada por A. Kopanidis para el estudio de la GDL [60]

En la Figura 71 se muestran algunos resultados obtenidos de la simulación realizada por los

autores. En la primera imagen (Figura 71) se muestra el campo de velocidades para un valor de

entrada de 4,29 m/s, se observa que la velocidad en la GDL disminuye a valores del orden de

0,7 m/s mientras que en el canal del cátodo las velocidades aumenta a valores de 9 m/s. En la

segunda imagen se visualiza el campo de temperaturas donde se aprecia como las fibras que

forman el medio poroso van aumentando progresivamente.

a) Campo de velocidades b)Campo de temperaturas

Figura 71.Resultados obtenidos del campo de velocidades y de temperatura por A. Kopanidis [60]

113

Otro trabajo de interés es realizado por Clement Fink & Nicolas Fouquet [61]. En este caso, los

autores tratan de validar su modelo CFD aplicado a una monocelda con medidas

experimentales usando la curva de polarización y la distribución de densidad de corriente. En

este artículo, además de validar los resultados, se detallan todas las ecuaciones que han usado

en la MEA, GDL y canales (del cátodo y ánodo).

En la Figura 72 se muestra los resultados experimentales y obtenidos mediante CFD de la curva

de polarización de la monocelda. Para densidades de corrientes medias y bajas la curva se

ajusta de una forma notable.

Figura 72. Validación de la curva de polarización

Muy interesante son los resultados que se obtienen de la distribución de densidad de corriente

en la placa bipolar. En la Figura 73 se observa que los resultados son similares incluso a nivel

local. Por lo tanto se concluye que los autores han conseguido un buen ajuste en su modelo

CFD y representa con fiabilidad el comportamiento de la monocelda.

114

Figura 73. Validación de la densidad de corriente en la placa bipolar

Una vez el autor ha calibrado el modelo CFD, realiza un análisis de sensibilidad variando las

condiciones de operación de la monocelda así como las condiciones de entrada de los gases.

Una temática muy importante para el buen funcionamiento de un stack de pila de combustible

tipo PEM es el abordado por Mardit Matian el al [62]. En este caso, se usa la simulación CFD

con el fin de diseñar el sistema de refrigeración de la pila de combustible (en este caso el autor

elige usar aire como fluido refrigerante). El principal objetivo del trabajo es minimizar los

gradientes de temperatura entre celdas y disipar el calor necesario de la pila hacía el exterior

para no alcanzar temperaturas elevadas que puedan dañar la membrana. En la Figura 74 se

muestran algunos resultados del campo de temperaturas en la placa bipolar obtenidos

mediante CFD.

115

Figura 74. Distribución de temperatura en la placa bipolar [62]

116

Hasta el momento, solo se han mostrado modelos y resultados de una sola monocelda o

incluso de un solo canal. En la literatura actual existen diversos artículos, cada uno

especificándose en un tema en concreto, centrándose en monoceldas o monocanales, sin

embargo, pocos autores han dado el paso de realizar simulaciones de un stack completo

debido al alto gasto computacional que ello requiere. A continuación se comentan brevemente

dos trabajos sobre el modelado de stack completos.

Z.Liu et al [47] simulan un ministack de 6 monoceldas tal y como se muestra en Figura 75. Para

realiza la simulación, el autor destaca que para la realización del modelo en 3D de un stack

completo es necesario simplificar el problema y realizar varias hipótesis, sin embargo, en el

documento no detalla cuales son las simplificaciones que realiza. Tan solo destaca que va a

modelar el campo fluido como un medio poroso para disminuir el número de nodos.

Figura 75. Mini stack simulado por Z.Liu et al [47]

Para validar los resultados de su modelo CFD, realizan un ensayo al stack en cuestión para

caracterizar la curva de polarización y de potencia (Ver Figura 76). Se observa que los

resultados obtenidos mediante CFD se ajustan bien para valores de densidad de corriente

bajos (pérdidas por activación), sin embargo, a medida que se aumenta la densidad de

corriente, se comete un error mayor, destacando la zona de pérdidas por transporte que la

simulación CFD no la contempla debido a que no se modela el flujo multifásico y todo el agua

es vapor.

117

Figura 76. Curva de polarización y de potencia [47]

Z.Liu et al [47] también muestran resultados de campos de temperatura, concentraciones

molares de las especies, densidades de corriente, etc.

Otros autores que han realizado un excelente trabajo en el modelado CFD de un stack

completo son S.Shimpalee et al [46].En dicho trabajo desarrollan un modelo de un stack de 6

monoceldas para predecir la distribución de temperatura y de densidad de corriente en cada

una de las monoceldas.

Para validar los resultados obtenidos mediante CFD, ensayan con el stack y obtienen la curva

de polarización para cada una de las monoceldas. En la Figura 77 se puede visualizar la

diferencia existente entre los resultados obtenidos mediante CFD y mediante métodos

empíricos. Se comprueba que para las monoceldas intermedias (monocelda 3 y 4) los

resultados se ajustan mejor que en el resto de monoceldas.

118

Figura 77. Validación de la curva de polarización para cada monocelda [46]

Una vez ajustado el modelo mediante CFD, los resultados que este tipo de programas son de

mucho interés y proporcionan mucha información acerca de los fenómenos que ocurren en el

interior de stack. En este caso en particular, son capaces de predecir la temperatura en las

placas bipolares y MEA, la densidad de corriente, la distribución de agua en la membrana

(tanto líquida como gaseosa), la concentración de oxígeno y de hidrógeno en cualquier zona

así como la distribución de presiones. En la Figura 78 se observa la distribución de

temperaturas en las placas bipolares para diferentes puntos de operación (I-V).

119

Figura 78.Distribución de temperaturas en las placas bipolares [46]

A la vista de los resultados que obtienen en las simulaciones se obtienen una serie de

conclusiones que merece la pena resaltar.

1- La concentración de agua líquida aumenta al aumenta la intensidad de corriente, sin

embargo el aumento no es significativo.

2- Las celdas situadas en las laterales del stack son las que tienen mejor rendimiento

mientras que las celdas intermedias son las que poseen rendimientos más bajos.

3- La distribución de temperatura en las monoceldas intermedias son menos

homogéneas que en las monoceldas situadas en los laterales.

4- La distribución de hidrógeno y de oxígeno en los canales son idénticas para cada una

de las monoceldas debido a que el stack es pequeño y tan solo está compuesto por 6

monoceldas.

120

ANEXO 4: CURVA DE POLARIZACIÓN DE LOS ENSAYOS REALIZADOS

Validación del ensayo 2

El ensayo 2 no se ha podido validar debido a que los resultados no se han podido considerar

como aptos al analizar la experimentación. La curva de polarización obtenida tiene

prestaciones muy bajas y la experimentación ha de repetirse en otro momento.

En la base de datos que se ha creado para obtener la correlación de la cantidad de agua en la

membrana no se ha tenido en cuenta este experimento.

121


La validación de la curva de polarización del ensayo 3 se adjunto en la Figura 79. Se observa un

buen ajuste entre ambas curvas de polarización.

Figura 79. Validación de la curva de polarización del ensayo 3

En cuanto a los valores de la conductividad eléctrica y la cantidad de agua en la membrana se

adjuntan en la Figura 80 y en Figura 81.

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45

Ten

sió

n (

V)


Ensayo 3

Experimental Modelo

122

Figura 80. Conductividad eléctrica en función de la densidad de corriente en el ensayo 3

Figura 81. Water Vapor Activity en función de la densidad de corriente en el ensayo 3

0

0.005

0.01

0.015

0.02

0.025

0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45

Co

nd

uct

ivid

ad e

lect

rica

(Ω

cm2

)


Conductiviada electrica

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45

Wat

er

Vap

or

Act

ivit

y


Water Vapor Activity

123


La curvas de polarización experimental y procedente del modelo desarrollado se adjunta en la

Figura 82. Se observa un buen ajuste entre ambas curvas.


En el caso de los resultados obtenidos relativos a la conductividad eléctrica y a la cantidad de

agua en la membrana se adjuntan en la Figura 83 y Figura 84.

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45

Ten

sió

n (

V)


Ensayo 4

Experimental Modelo

124



0

0.005

0.01

0.015

0.02

0.025

0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45

Co

nd

uct

ivid

ad e

lect

rica

(Ω

cm2

)


Conductividad electrica

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45

Wat

er

Vap

or

Act

ivit

y



125


La validación del ensayo 5 se muestra en la Figura 85. De nuevo, se observa un buen ajuste

entre ambas curvas de polarización.


Los resultados obtenidos de la conductividad eléctrica y de la cantidad de agua en la

membrana se adjuntan en la Figura 86 y en la Figura 87.

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45

Ten

sió

n (

V)


Ensayo 5

Experimental Modelo

126



0

0.005

0.01

0.015

0.02

0.025

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5

Co

nd

uct

ivid

ad e

lect

rica

(Ω

cm2

)



0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5

Wat

er

Vap

or

Act

ivit

y



127


En la Figura 88 se muestra el ajuste entre la curva de polarización experimental y la obtenida

mediante el modelo desarrollado. De nuevo se aprecia un buen ajuste entre ambas curvas.


Los resultados de la conductividad eléctrica y la cantidad de agua en la membrana en el ensayo

6 se adjuntan en la Figura 89 y en Figura 90.

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45

Ten

sió

n (

V)


Ensayo 6

Experimental Modelo

128



0

0.005

0.01

0.015

0.02

0.025

0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45

Co

nd

uct

ivid

ad e

lect

rica

(Ω

cm2

)



0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45

Wat

er

Vap

or

Act

ivit

y



129


La validación del ensayo 8 se muestra en la Figura 91. Se aprecia que ambas curvas de

polarización se ajustan. Sin embargo, al igual que ocurría en el ensayo 7, la curva no se ajusta

exactamente para densidades de corriente inferiores a 0.1 A /cm2. En este caso, el error

máximo que se comete es de 0.025 V.


Los resultados de la conductividad eléctrica y la cantidad de agua en la membrana se adjuntan

en la Figura 92 y en la

Figura 93.

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45

Ten

sió

n (

V)


Ensayo 8

Experimental Modelo

130



0

0.002

0.004

0.006

0.008

0.01

0.012

0.014

0.016

0.018

0.02

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5

Co

nd

uct

ivid

ad e

lect

rcia

(Ω

cm2

)



0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5

Wat

er

Vap

or

Act

ivit

y



131


La validación del ensayo 9 se adjunta en la Figura 94. El ajuste entre ambas curvas de

polarización se observa que es bueno aunque por debajo de 0.1 A/cm2 no se ajusta

correctamente. El error máximo es de 0,02 V.


Los resultados de la conductividad eléctrica y la cantidad de agua en la membrana del ensayo 9

se adjunta en la Figura 95 y la Figura 96.

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45

Ten

sió

n (

V)


Ensayo 9

Experimental Modelo

132



0

0.002

0.004

0.006

0.008

0.01

0.012

0.014

0.016

0.018

0.02

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5

Co

nd

uct

ivid

ad e

lect

rica

(Ω

cm2

)



0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5

Wat

er

Vap

or

Act

ivit

y



133


Por último, se muestra la validación del ensayo 10. En la Figura 97 se adjunta ambas curvas de

polarización. Una vez más, los resultados no se ajustan correctamente para densidades de

corriente inferiores a 0.1 A/cm2. El error máximo cometido es de 0.0035 V.


Los resultados de la conductividad eléctrica y la cantidad de agua en la membrana se adjuntan

en la Figura 98 y en la Figura 99 respectivamente.

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45

Ten

sió

n (

V)


Ensayo 10

Experimental Modelo

134



0

0.005

0.01

0.015

0.02

0.025

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5

Co

nd

uct

ivid

ad e

lect

rica

(Ω

cm2

)



0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

4.5

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5

Wat

er

Vap

or

Act

ivit

y



ANEXO 1: GUÍA DE OPERACIÓN DE LA MONOCELDA...

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