Diseño de placas bipolares.

Contenido

Lista de figuras        

Lista de Tablas        

Estado del Arte        

¿Qué es una celda de combustible?        

Tipos de celdas de Combustible        

Regiones controlantes asociadas a una celda de combustible        

Importancia de las placas bipolares        

Campos de flujo en placas bipolares        

Sección transversal de los canales        

Configuración geométrica  de los campos de flujo        

Aspectos teóricos        

Modelamiento Fenomenológico        

Método de solución        

Discusión de Resultados        

Relación Ancho de canal – Ancho Colector        

Relación Ancho de canal – Profundidad de canal        

Referencias        

Lista de figuras

Figura 1. Esquema del funcionamiento de una celda de combustible. [2]        

Figura 2. Curva de polarización de una celda de combustible, con las regiones controlantes indicadas. [3]        

Figura 3.  Esquema de un stack de celdas de combustible, donde se observan las placas bipolares y las MEA de forma intercalada. [5]        

Figura 4. Esquema de la sección transversal de flujo rectangular (izquierda) y trapezoidal (derecha). [7]        

Figura 5. Campos de flujo con distribución de tipo pin (izquierda) y cascada (derecha). [7]        

Figura 6. Campos de flujo con distribución de serpentín (izquierda), de tipo paralelo (centro) e interdigitado (derecha) [7]        

Figura 7. Sección transversal de una celda de combustible  desarrollada en COMSOL Multiphysics®        

Figura 8. Curvas de polarización para diferentes valores de la relación ancho canal – ancho colector        

Figura 9. Curvas de potencia para diferentes valores de la relación ancho canal – ancho colector        

Figura 10. Acercamiento de las curvas de potencia para diferentes valores de la relación ancho canal – ancho colector.        

Figura 11. Curvas de polarización para diferentes valores de la relación ancho canal – profundidad canal        

Figura 12. Curvas de polarización para diferentes valores de la relación ancho canal – profundidad canal        

Figura 13. Acercamiento de las curvas de potencia para diferentes valores de la relación ancho canal – profundidad canal        

Figura 14. Potencia requerida para que el flujo de reactiva fluya a través de la celda de combustible        

Figura 15. Gráfica de la fracción molar de etanol en el ánodo        

Figura 16. Gráfica de la fracción molar de oxigeno en el cátodo        

Lista de Tablas

Tabla 1. Potencia entregada para diferentes valores de la relación ancho canal – ancho colector        

Tabla 2. Potencia entregada, potencia requerida y potencia neta para diferentes valores de la relación ancho canal – profundidad canal        

Estado del Arte

¿Qué es una celda de combustible?

Una celda de combustible es un dispositivo de conversión de energía, que convierte la energía química, por medio de una reacción, en un flujo de electrones (electricidad), además de calor y los productos químicos de la reacción. [1]

Una celda de combustible básica consiste en dos electrodos separados por una membrana electrolítica tal como se ve en la figura.  En el compartimiento anódico se lleva a cabo la oxidación del combustible y en el catódico la reducción del oxigeno contenido en el aire, en ambos compartimientos se alimenta continuamente combustible y aire.

En el compartimiento anódico el combustible se descompone en iones positivos (), electrones () y otros productos según el tipo de celda. La membrana electrolítica permite el flujo de de los iones positivos hacia el compartimiento catódico; mientras que  funciona como un aislante para los electrones, de manera que estos deban moverse a través de un circuito externo y generen el flujo de corriente eléctrica.[pic 1][pic 2]

En el compartimiento catódico, los electrones y los iones positivos reaccionan con el oxigeno contenido en el aire para generar de nuevo una forma estable, que es agua pura.

Figura 1. Esquema del funcionamiento de una celda de combustible. [2]

[pic 3]

Tipos de celdas de Combustible

Existen muchos tipos de celdas, que se pueden clasificar en seis grupos principales de acuerdo a la elección de electrolito y combustible [3]

• Celdas de combustible de  membrana de intercambio protónica (PEMFC)

Utilizan un electrolito de polímero sólido y operan a temperaturas, alrededor de 100°C. Su baja temperatura de operación la convierte en una tecnología atractiva para aplicaciones móviles y comerciales. Las mayores desventajas son su baja eficiencia de operación (40%-45%) y el costo elevado del platino, necesario para catalizar las reacciones en los electrodos.

• Celdas de combustible alcalinas (AFC)

Utilizan una solución acuosa de hidróxido de potasio (KOH) como electrolito y operan a bajas temperaturas, alrededor de 100°C.Las principal desventaja es la alta sensibilidad al dióxido de carbono () y la consecuente necesidad de un sistema que remueva el dióxido de carbono del aire. Además de eso, el uso de un electrolito corrosivo es también una desventaja debido a que disminuye el periodo de utilidad de la celda. Debido a esto no es usada para aplicaciones comerciales; pero se muestra muy atractiva en el campo del transporte, para vehículos y barcos, e incluso para transporte espacial.[pic 4]

• Celdas de combustible de ácido fosfórico (PAFC)

Utilizan un electrolito de ácido fosfórico líquido y operan a temperaturas entre 175°C y 200°C. Una ventaja de este tipo de celdas es que son muy tolerantes a las impurezas de los combustibles de hidrocarburos reformados. También permiten la cogeneración debido a la temperatura de operación. Su mayor desventaja es el alto costo del platino utilizado como catalizador. Son usadas principalmente en plantas de manera estacionaria y por su capacidad de cogeneración.

• Celdas de combustible de ácido carbónico fundido (MCFC)

Estas celdas operan a altas temperaturas, alrededor de 600°C y 700°C. Sus mayores ventajas es su alta eficiencia de operación (50%-60%), su capacidad de cogeneración y el hecho de que no necesita un metal catalizador debido a su alta temperatura de operación. Sus principales desventajas son la intolerancia a los sulfuros y la lenta puesta en marcha. Son principalmente usadas en aplicaciones estacionarias que  requieren una mediana o alta potencia.

• Celdas de combustible de óxido sólido (SOFC)

Estas celdas operan a muy altas temperaturas de operación, alrededor de 1000°C. Sus principales ventanas  son la gran capacidad de cogeneración, debido a su calor residual y su alta eficiencia de operación (50%-60%). Sus principales desventajas son su intolerancia a los sulfuros, alto costo y lenta puesta en marcha, además de no permitir grandes cambios en la carga de combustible. Por lo tanto estas celdas son principalmente usadas en aplicaciones estacionarias que requieren gran potencia.

• Celdas de combustible de metanol directo (DMFC)

Utilizan polímero sólido como electrolito y se alimentan con metanol () y operan a temperaturas de operación bajas, menores a 100°C. Sus principales desventajas son la baja eficiencia de operación, la lenta cinética de oxidación en el compartimiento anódico y el reflujo de metanol a través de la membrana. Son principalmente usadas como baterías de pequeños dispositivos electrónicos.[pic 5]

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