optimización del diseño de una celda de combustible

Transcripción

OPTIMIZACIÓN DEL DISEÑO DE UNA CELDA DE
COMBUSTIBLE DE MEMBRANA DE INTERCAMBIO
PROTÓNICO (DMFC Y PEMFC)
Angel Pérez Manso
Universidad del País Vasco / Euskal Herriko Unibertsitatea
Dpto. de Expresión Gráfica y Proyectos de Ingeniería
Escuela Universitaria de Ingeniería Técnica Industrial de Bilbao
Plaza La Casilla, 3. 48012
[email protected]
TUTOR: Dr. D. Agustín Arias Coterillo
Universidad del País Vasco / Euskal Herriko Unibertsitatea
Dpto. de Expresión Gráfica y Proyectos de Ingeniería
Escuela Superior de Ingeniería de Bilbao.
Almd. Urquijo s/n. 48013
[email protected]
Bilbao, 19 de noviembre de 2007
Índice de contenido
1.CONTEXTO DE TRABAJO DEL GRUPO DE INVESTIGACIÓN.......................................3
1.1.Un poco de historia......................................................................................................3
1.2.Las líneas de investigación del Grupo........................................................................8
1.2.1.Electrocatálisis y Pilas de Combustible (DMFC, DEFC y PEMFC)...................10
1.2.2.Electroquímica
y
corrosión
de
materiales
metálicos
amorfos
y
nanoestructurados.......................................................................................................12
1.2.3.Materiales metálicos amorfos. Biomateriales y sensores magnéticos..............12
2.DESARROLLO DEL TRABAJO........................................................................................13
2.1.SELECCIÓN DEL SOFTWARE DE SIMULACIÓN CFD..........................................13
2.1.1.FLUENT v6.2......................................................................................................14
2.1.2.FEMLAB v3.1.....................................................................................................15
2.1.2.1.MÓDULO FEMLAB PARA LA INGENIERÍA QUÍMICA...............................16
2.1.2.2.PROCEDIMIENTO DE MODELADO CON FEMLAB.................................16
2.1.2.3.UN EJEMPLO DE APLICACIÓN EN PILAS DE COMBUSTIBLE..............18
2.1.2.4.ESTUDIO....................................................................................................19
2.1.2.5.RESULTADOS............................................................................................21
2.1.2.6.CONCLUSIONES.......................................................................................21
2.1.3.COMSOL MULTIPHYSICS V3.2 (FEMLAB v3.2)..............................................22
2.1.3.1.ESTUDIO....................................................................................................22
2.1.3.2.RESULTADOS............................................................................................23
2.1.3.3.CONCLUSIONES.......................................................................................24
2.1.4.ANSYS CFX 10.0...............................................................................................24
2.1.4.1.CONCLUSIONES.......................................................................................24
2.2.ANSYS CFX 10.0......................................................................................................25
2.2.1.ESTUDIO DEL REACTOR ELECTROQUÍMICO P-300....................................26
2.2.1.1.Reactor Electroquímico P-300. Anolito (3 stack)........................................27
2.2.1.2.Resultados..................................................................................................29
2.2.1.3.Reactor Electroquímico P-300. Anolito. Circuito equilibrado (3 stack).......30
2.2.1.4.Resultados..................................................................................................33
2.2.1.5.Reactor Electroquímico P-300. Anolito-Catolito (1 stack)...........................33
2.2.2.ESTUDIO DE LA CELDA DE COMBUSTIBLE DE HIDRÓGENO.....................35
2.2.2.1.ANÁLISIS 1.................................................................................................35
2.2.2.2.Resultados..................................................................................................37
2.2.2.3.ANÁLISIS 2.................................................................................................38
2.2.2.4.Resultados..................................................................................................39
2.3.TRABAJOS FUTUROS.............................................................................................40
3.BIBLIOGRAFÍA.................................................................................................................41
4.AGRADECIMIENTOS.......................................................................................................42
1. CONTEXTO DE TRABAJO DEL GRUPO DE INVESTIGACIÓN
1.1. Un poco de historia
El grupo de “Vidrios Metálicos y Nanotecnologías” del Laboratorio de Química
Industrial e Ingeniería Electroquímica (http://www.sc.ehu.es/iaweb/ESP/esp.htm) de la
Universidad del País Vasco, se creó en 1991. Este grupo, formado por los siguientes
miembros:
●
●
●
●
●
●
●
●
Ángel Rodríguez Pierna, Catedrático de Ingeniería Química de la UPV
Florencio Fernández Marzo, Profesor Titular doctor de la UPV
Beatriz Cartón García, Profesora Asociada de la UPV
Agustín Lorenzo Martín, Maestro de Laboratorio de la UPV
Mirari Antxustegi Bengoetxea, Profesora contratada Doctora de la UPV
Angel Pérez Manso, Profesor Colaborador de la UPV
Gema Vara Salazar, alumna de 3er ciclo de la UPV
José Barranco Riveros, alumno de 3er ciclo de la UPV
ha desarrollado diversas líneas de investigación relacionadas con el comportamiento
electroquímico y resistencia a la corrosión de materiales metálicos amorfos y
nanocristalinos. Estas actividades abarcan desde el diseño, construcción y puesta a punto
de un sistema de solidificación ultrarrápida para la producción de materiales metálicos
amorfos, hasta la caracterización del material metálico amorfo obtenido por distintas
técnicas electroquímicas. Igualmente se ha puesto a punto un sistema de producción de
materiales metálicos amorfos por aleado mecánico. Se realizan también estudios sobre la
cinética de los procesos de relajación y de nanocristalización de dichas aleaciones por
calorimetría diferencial de barrido modulada (MDSC).
El trabajo de investigación desarrollado, conduce a que en el año 1995 se abriera
una nueva línea de investigación en electrocatálisis con el estudio de aleaciones amorfas
de base NiNbPtSn, que ha permitido estudiar el tratamiento de aguas residuales
industriales con compuestos fenólicos y derivados (hidroquinona, benzoquinona, ácido
oxálico y ácido maleico) proveniente de la industria de producción de resinas fenolformaldehido. Estos estudios han aportado a la comunidad científica nuevos
conocimientos en el campo de la tecnología electroquímica relacionada con los procesos
de oxidación directa de compuesto orgánicos. Como consecuencia de estos estudios se
ha desarrollado en nuestro laboratorio una Tesis doctoral, diversos Proyectos de Fin de
Carrera, catorce publicaciones, más de veinticinco ponencias en Congresos y diversas
Conferencias impartidas.
A partir del año 2001 se comenzó a estudiar la oxidación electroquímica de
moléculas orgánicas sencillas (formaldehído, metanol y ácido acético) para comprobar la
validez de los electrocatalizadores producidos en nuestro laboratorio a partir de materiales
metálicos amorfos. Estas tareas nos proporcionaron los conocimientos necesarios para
comenzar con el estudio de la electrooxidación de metanol. En esta época se contactó
con el grupo de investigación de la profesora Elena Pastor de la Universidad de la
Laguna, expertos en la tecnología DEMS (espectrometría diferencial de masas
electroquímica) y FTIR (espectroscopia de infrarrojos con transformada de Fourier),
necesaria para poder analizar in-situ los productos volátiles de la reacción de oxidación
del metanol y determinar las especies adsorbidas en la superficie del catalizador
respectivamente. Como consecuencia de esta colaboración, se realizó de forma conjunta
el proyecto del MCYT (Mat 2002-01685). Además se ha conseguido financiación para esta
línea de investigación a través de la Exma. Diputación Foral de Guipúzcoa y del programa
SAIOTEK para el estudio de nuevos catalizadores para celdas de combustible de
oxidación directa de metanol (DMFC).
Se han realizado también diversos proyectos de fin de carrera, actividad que
continua en la actualidad. Esta actividad investigadora ha permitido la presentación de los
resultados obtenidos en Congresos Internacionales y la publicación de diversos artículos
en revistas especializadas.
Desde el año 1995, el Grupo de Vidrios Metálicos y Nanotecnologías ha
desarrollado los siguientes proyectos de investigación:
TÍTULO DEL PROYECTO: Estudio de electrooxidación de compuestos fenólicos
en aguas residuales aplicación de vidrios metálicos de base Fe-Ni como
electrodos selectivos.
ENTIDAD FINANCIADORA: Universidad del País Vasco
DURACIÓN DESDE: 01-01-95
HASTA: 31-12-95
INVESTIGADOR PRINCIPAL: Dr. Ángel Rodríguez Pierna
TÍTULO DEL PROYECTO: Estudio de Vidrios Metálicos de base Níquel como
Electrodos Selectivos en la Depuración de Aguas Residuales
ENTIDAD FINANCIADORA: Universidad del País Vasco
DURACIÓN DESDE:16-10-95
HASTA: 15-10-96
TÍTULO DEL PROYECTO: Desarrollo de sensores electroquímicos de
naturaleza metálica amorfa: Aplicación al tratamiento de aguas residuales
ENTIDAD FINANCIADORA: Exma. Diputación Foral de Guipúzcoa
DURACIÓN DESDE 01-10-95
HASTA: 30-11-96
TÍTULO DEL PROYECTO: Modificación del carácter electrocatalítico de las
aleaciones amorfas de Ni-Nb por adicción de Pt-Sn. Aplicaciones a tratamientos
de aguas industriales.
ENTIDAD FINANCIADORA: Exma. Diputación Foral de Guipúzcoa
HASTA: 30-09-98
TÍTULO DEL PROYECTO: Electrooxidación de CO y compuestos
orgánicos.
ENTIDAD FINANCIADORA: Comisión Interministerial de Ciencia y Tecnología
(C.I.C.Y.T.) Ministerio de Educación y Cultura.
HASTA: 01-07-00
INVESTIGADOR PRINCIPAL: Dr. Claudio Gutiérrez de la Fe
TÍTULO DEL PROYECTO: Tratamiento de Residuos Orgánicos por vía
electroquímica. Aplicación
de Aleaciones Amorfas
cono
material
electródico.
ENTIDAD FINANCIADORA: Excma. Diputación Foral de Guipúzcoa
HASTA: 30-09-00
TÍTULO DEL PROYECTO: Desarrollo de nuevos materiales electródicos de
naturaleza amorfa y nanocristalina de base Ni-Nb. Aplicación en la
electrooxidación de disoluciones fenol-formaldehido.
ENTIDAD FINANCIADORA: Universidad del Pais Vasco
HASTA: 30-10-02
TÍTULO DEL PROYECTO: Nuevos materiales electrocatalíticos de naturaleza
amorfa y nanocristalina. Aplicación a la electrooxidación de disoluciones FenolHidroquinona y Benzoquinona.
HASTA: 30-7-2002
TÍTULO DEL PROYECTO: Electrocatalizadores tolerantes al monóxido de
carbono para celdas de combustible.
ENTIDAD FINANCIADORA: Ministerio de Ciencia y Tecnología ( Dirección de
Investig.) MAT2002-01685
HASTA: 31-06-2005
INVESTIGADOR PRINCIPAL: Dr. Elena Pastor Tejera
TÍTULO DEL PROYECTO: Electrocatalizadores amorfos de base NiNbPtX ( X=
Sn,Sb,Ru,Rh, y Pd) mas eficientes en la conversión de metanol en pilas de
combustible (DMFC) y de de membrana de intercambio protónico (PEM).
ENTIDAD FINANCIADORA: Gobierno Vasco (programa SAIOTEK_2004)
HASTA: 31-05-2006
TÍTULO DEL PROYECTO: Estudio técnico-económico de pilas de combustible
de oxidación directa de metanol.
HASTA: 30-11- 2007
TÍTULO DEL PROYECTO: Desarrollo y fabricación de un prototipo de celdas de
combustible de alcoholes (DMFCy DEFC) de 5-50 W con ánodos metálicos
amorfos de base NiNbPtX ( X=Sn,Ru,Rh,Co,Ce).
ENTIDAD FINANCIADORA: Gobierno Vasco ( programa SAIOTEK_2006)
HASTA: 31-12-07
TÍTULO DEL PROYECTO: Electrodos de aleaciones amorfas de base Ni-Nb
para celdas de combustible.
ENTIDAD FINANCIADORA: M.E.C.( Dirección General de Investigación)
CTQ2006-13163/BQU
HASTA: 31-09-2009
INVESTIGADOR PRINCIPAL: Dr. Angel Rodríguez Pierna
TÍTULO DEL PROYECTO: Pilas de Combustible de oxidación directa de
alcoholes (DMFC y DEFC).
ENTIDAD FINANCIADORA: Ministerio de Asuntos Exteriores. Cooperación
Iberoamericana ( Programa CyTED) ACCIONES DE COORDINACIÓN DE
PROYECTOS DE INVESTIGACIÓN.
HASTA: 31-11-2010
INVESTIGADOR PRINCIPAL: Dr. Angel Rodríguez Pierna ( COORDINADOR
DE LA ACCIÓN) (Siete Paises y Nueve Grupos de Investigación)
TÍTULO DEL PROYECTO: SUBVENCIÓN GENERAL A GRUPOS DE
INVESTIGACIÓN-2006
ENTIDAD FINANCIADORA: Universidad Pais Vasco -UPV
HASTA: 31-09-2009
INVESTIGADOR PRINCIPAL: Dr. Angel Rodríguez Pierna
Actualmente, el grupo está involucrado en diferentes Redes y Proyectos de
Cooperación, tanto a nivel nacional como Internacional, con relación al tema de pilas de
combustible. Estos son:
 El Grupo Participa en un Proyecto de Cooperación Internacional a tres
bandas: CANADA (CNRC) - CESIC(Instituto Técnico Científico de Polímeros, ITCP)
– UPV-EHU (Grupo de Vidrios Metálicos y Nanotecnologías)
El Grupo pertenece a la Red Iberoamericana de Pilas de Combustible e
Hidrógeno. Angel Rodríguez Pierna es Secretario y cofundador de la red.

 El Grupo participa en una solicitud de Proyecto AECI (Agencia Española de
Cooperación Iberoamericana: Es un Proyecto Coordinado a dos bandas, entre el
Centro de Investigaciones Técnicas Avanzadas (CINVESTAV) asociado al Instituto
Politécnico Nacional (México distrito Federal) y la UPV-EHU (Grupo de Vidrios
Metálicos y Nanotecnologías)
 Ángel Rodríguez Pierna es representante de la Red Nacional de Pilas de
Combustible, Baterías Avanzadas e Hidrógeno CSIC (Representante José Luis
Acosta)-UNIVERSIDAD. Esta red organizará el primer Simposium Iberoamericano
de la Red Nacional de Pilas de Combustible, Baterías Avanzadas e Hidrógeno
CSIC-UNIVERSIDAD del 2 al 6 de julio de 2008.
Los miembros del Grupo pertenecen a la International Society of
Electrochemistry, ISE (http://www.ise-online.org/)

 Los miembros del Grupo pertenecen al Grupo de Electroquímica de la Real
Sociedad Española de Química, RSEQ.
El Grupo participa en la Plataforma Tecnológica Española de H 2 y Pilas de
Combustible (PTE/HPC), subgrupo de estrategias y planificación. La Plataforma es
un medio de coordinación de esfuerzos, está liderada por empresas del sector
elegidas entre sus miembros, y cuenta con el apoyo del Ministerio de Educación y
Ciencia y de la Asociación Española del Hidrógeno (http://www.ptehpc.org/)

En junio de 2005 me incorporo a este grupo de investigación, con el objetivo (entre
otros) de participar en la línea de investigación dedicada al diseño de las celdas de
combustible de metanol directo (DMFC) y de hidrógeno (PEMFC). Desde entonces, he
formado parte de los siguientes proyectos de investigación:
(Extraído de IKERTU online. https://gestion.ehu.es/gidi)
1.2. Las líneas de investigación del Grupo
El grupo de “Vidrios Metálicos y Nanotecnologías” del Laboratorio de Química
Industrial e Ingeniería Electroquímica es un grupo de investigación reconocido por la
UPV-EHU. Los datos del grupo y sus principales líneas de investigación se detallan en las
siguientes tablas:
GRUPO DE INVESTIGACIÓN
Denominación
del Grupo
Área de la
Ciencia(*)
LABORATORIO DE QUÍMICA INDUSTRIAL E INGENIERÍA
ELECTROQUÍMICA (GRUPO DE VIDRIOS METÁLICOS Y
NANOTECNOLOGÍAS)
TECNOLOGÍA QUÍMICA y CIENCIA Y TECNOLOGÍA DE MATERIALES
LÍNEAS DE INVESTIGACIÓN
ELECTROCATÁLISIS Y PILAS DE COMBUSTIBLE (DMFC, DEFC y
PEMFC)
Código UNESCO: 30309 221012
Primera
ELECTROQUÍMICA Y CORROSIÓN DE MATERIALES METALICOS
AMORFOS Y NANOESTRUCTURADOS.
Segunda
MATERIALES METÁLICOS AMORFOS. BIOMATERIALES Y
SENSORES MAGNÉTICOS.
Tercera
(Esquema líneas de investigación. http://www.sc.ehu.es/iaweb/IMAGENES/cuadropilas.jpg)
1.2.1. Electrocatálisis y Pilas de Combustible (DMFC, DEFC y PEMFC)
Los problemas actuales de almacenamiento y distribución del hidrógeno como
combustible, han originado una búsqueda constante de otros combustibles alternativos
que faciliten el uso de las pilas de combustible. De los diferentes combustibles que
pueden ser oxidados en un ánodo, el metanol y el hidrógeno son los que han despertado
mayor interés. Las celdas que operan con metanol (DMFC) o etanol (DEFC) tienen como
principio la oxidación directa del alcohol en el ánodo.
El objetivo principal en esta primera línea de investigación es estudiar las
oxidaciones del CO, metanol y etanol sobre catalizadores de naturaleza amorfa de
base (Ni-Nb)99(Pt-X)1 (X= Sn, Sb, Ru, Pd, Ce y Co), en forma de lámina y en forma de
polvos, obtenidos por solidificación rápida y por aleado mecánico respectivamente,
con el objetivo de establecer los mecanismos de reacción e incrementar la eficacia
y la tolerancia al CO de estos ánodos de naturaleza amorfa.
Debido a las ventajas de almacenamiento de combustible y a su carácter compacto,
las celdas de tipo DMFC son las más atractivas para aplicarlas en equipos portables. Una
celda de tipo DMFC es similar a una celda de combustible de membrana de intercambio
protónico (PEMFC) en el sentido de que utiliza una membrana polimérica como electrolito,
pero difiere de estas en el empleo de metanol líquido como combustible (frente al
hidrógeno utilizado normalmente en las PEMFC). El hecho de que una DMFC utilice
combustible líquido (en lugar de gas como el H2) ofrece como principal ventaja una mayor
capacidad de almacenamiento del combustible en un menor espacio, pero presenta otros
inconvenientes.
Uno de ellos es el “crossover” del metanol al cátodo. El “crossover” ocurre en una
DMFC principalmente por difusión y arrastre electroosmótico. El “crossover” genera un
potencial mixto en el cátodo y por lo tanto hace que la eficiencia de la celda disminuya.
Otro de los problemas asociados a las PEMFC es la existencia de flujo en dos fases en la
celda. El dióxido de carbono producido por la oxidación de metanol está en fase gaseosa,
mientras que la mezcla metanol-agua está en fase líquida. Por lo tanto, esto origina una
gran pérdida de presión en las líneas de flujo además de crear bloqueos para la correcta
difusión del combustible y su acceso a la superficie del catalizador. Por último es
complicado trabajar con concentraciones uniformes, debido a que la difusividad del
metanol es inferior a la del gas hidrógeno.
En una celda de combustible de tipo DMFC es muy importante tener en cuenta,
además de la relativa baja actividad electrocatalítica en la electrooxidación del metanol,
los problemas de transferencia de masa. Las reacciones anódica, catódica y global de
una celda de tipo DMFC son las siguientes:
Ánodo: CH3OH + H2O à CO2 + 6H+ + 6eCátodo: 3/2 O2 + 6H+ + 6e- à 3H2O
Reacción global: CH3OH + 3/2 O2 à CO2 + 2H2O
La polarización de la celda de combustible consiste generalmente en una
polarización de activación, óhmica y de concentración. La forma de las líneas de flujo
afectan el incremento del sobrepotencial de concentración debido a la polarización de
concentración originado por la pérdida de combustible. El efecto de la polarización de
concentración es mayor en el ánodo que en el cátodo, debido al lento transporte de masa
del combustible líquido.
En el cátodo es más importante la eliminación del agua. Por lo tanto, el diseño de la
celda en cuanto a las placas bipolares y su forma geométrica para favorecer la
distribución del combustible en la celda también es un punto muy importante en la
concepción global de una celda de combustible de tipo DMFC.
En este esquema gráfico se condensa toda la problemática asociada al comportamiento
dinámico de una DMFC, con lo que quedan reflejadas todas las líneas de actuación que,
dentro de la estrategia de simulación con un software CFD, hay que desarrollar.
Para tratar de estudiar esta problemática, la simulación computacional es una
herramienta indispensable para ayudar al Grupo de Investigación en el diseño,
construcción y buen funcionamiento de una celda de combustible.
De aquí que otro de los objetivos de esta línea de investigación sea la de
establecer un modelo matemático generalizado para celdas de combustible de
membrana de intercambio protónico, y en especial para pilas de oxidación directa
de metanol y de hidrógeno.
Estos modelos, una vez que se haya comprobado su validez, por comparación de
los resultados teóricos con los resultados experimentales obtenidos en la estación de pilas
de que dispone el Grupo, servirán para predecir el comportamiento futuro de distintos
diseños de celdas de combustible con el objetivo final de mejorar la eficiencia de las
mismas.
(Estación de pilas de combustible del grupo.
http://www.sc.ehu.es/iaweb/IMAGENES/FOTOSLAB/DSCN2682.jpg)
1.2.2. Electroquímica
nanoestructurados
y
corrosión
de
materiales
metálicos
amorfos
y
La segunda línea de investigación en materiales, tiene como objetivo optimizar
la formación de estructuras nanocristalinas a través de sus precursores amorfos
obtenidos por solidificación ultrarrápida y aleado mecánico.
Para ello se llevan a cabo tratamientos térmicos controlados y se adicionan metales
que controlen los procesos de clusterización y afinamiento de grano, con el fin de mejorar
sus propiedades frente a la corrosión y comportamiento mágnético.
1.2.3. Materiales metálicos amorfos. Biomateriales y sensores magnéticos
Por último en la tercera línea de investigación, se estudia la cinética de
corrosión y su control, en materiales metálicos amorfos obtenidos por
solidificación ultrarrápida, con el objetivo de aplicar dichos materiales como
elementos
sensores
en
biosensores
magnéticos
de
efecto
GMI
(magnetoimpedancia gigante).
También se realizan análisis de metales traza mediante técnicas electroquímicas
voltamétricas en las soluciones electrolíticas utilizadas en los ensayos de corrosión (con
concentraciones salinas similares a las presentes en sangre humana) con el fin de
estudiar la biocompatibilidad de dichos materiales y determinar su plicabilidad final como
biosensores.
2. DESARROLLO DEL TRABAJO
2.1. SELECCIÓN DEL SOFTWARE DE SIMULACIÓN CFD
Una vez determinada la necesidad de adquirir un software para la elaboración y
optimización del modelo matemático que describa todos los procesos que se dan en el
funcionamiento de una celda de combustible, el siguiente paso ha sido el de revisar la
amplia oferta existente de software CFD (Computational Fluid Dynamics). En esta parte
del estudio se han considerado las características más destacadas de los siguiente
programas:
●
●
●
●
Fluent v6.2
Femlab 3.1
Comsol Multiphysic 3.2
ANSYS CFX v10
Para la evaluación de los diferentes programas se ha utilizado la geometría
tridimensional de un reactor electroquímico perteneciente al Laboratorio de Química
Industrial e Ingeniería Electroquímica de la Escuela Universitaria Politécnica de San
Sebastián (http://www.sc.ehu.es/iaweb/). Este reactor se ha modelizado utilizando el
paquete de diseño asistido por ordenador Solid Edge v18.
Reactor electroquímico P-300 en el banco de pruebas.
(http://www.sc.ehu.es/iaweb/ESP/esp.htm)
Modelado tridimensional del reactor electroquímico P-300 en Solid Edge v18.
2.1.1. FLUENT v6.2
Durante más de veinte años, Fluent ha sido el líder en el desarrollo de software CFD
para la simulación de flujo fluido, transmisión de calor y transferencia de masa, y toda una
serie de fenómenos relacionados incluyendo turbulencia, reacciones químicas y flujos
multifásicos. (http://www.fluent.es/)
El software propuesto incluye los siguientes programas:
●
Gambit 2.2 (Computational Fluid Dynamics (CFD) Preprocessor). Software para la
generación de la geometría y mallado de modelos para Fluent.
(http://www.fluent.com/software/gambit/index.htm).
Unstructured, hybrid mesh around a Formula I race car with tetrahedral elements
Courtesy of Sauber Petronas Engineering AG
(http://www.fluent.com/software/gambit/preprocessing_wp.pdf)
●
Fluent 6.2 (http://www.fluent.com/about/news/pr/pr86.htm)
Simulación de funcionamiento de un separador ciclónico con Fluent 6.2
(http://www.cfd-online.com/Forum/news.cgi/read/1886)
Se ha contactado con personal del departamento de Ingeniería Nuclear y Mecánica
de Fluidos de la Escuela Universitaria de Ingeniería Técnica Industrial de Bilbao, que
disponen de licencias de Fluent y de una reconocida experiencia dentro de la UPV/EHU
en el manejo del mismo. Tras una breve demostración de las capacidades del programa,
las conclusiones obtenidas han sido las siguientes:
–
–
–
–
–
Entorno gráfico árido. Poca facilidad para el desarrollo de la geometría de los
elementos a analizar.
Gran capacidad de cálculo en fluidodinámica. Es ampliamente aceptado que
Fluent dispone de algunos de los mejores algoritmos de cálculo fluidodinámico.
Existen modelos desarrollados para aplicaciones de células de combustible
PEMFC, pero el coste es demasiado alto.
El coste anual por licencia se escapa por completo a las capacidades del grupo
de investigación en este aspecto.
La formación se imparte en Francia.
Por estos motivos (principalmente los económicos) se decide explorar otro software
CFD.
2.1.2. FEMLAB v3.1
Versión 3.1 del entorno interactivo para el modelado y la simulación de fenómenos
físicos
y
procesos
en
la
ciencia
y
la
ingeniería.
(http://www.addlink.es/productos.asp?pid=306), que dispone de un módulo específico
para ingeniería química.
2.1.2.1. MÓDULO FEMLAB PARA LA INGENIERÍA QUÍMICA
El Módulo de Ingeniería Química (http://www.addlink.es/productos.asp?pid=92)
combina la potencia y facilidad de uso de FEMLAB con su experiencia en ingeniería
química. Proporciona interfaces específicas para problemas que involucran transporte de
momento, masa y calor asociados a reacciones químicas. Ofrece un entorno de modelado
único y lógicamente estructurado para la utilización de la última tecnología de modelado
de ecuaciones en derivadas parciales (EDPs) en ingeniería química. Se pueden modelar
sistemas Cartesianos y con simetría axial para casos estacionarios y dependientes del
tiempo.
El Módulo de Ingeniería Química permite:
–
–
–
–
–
Hacer rápidamente los estudios de viabilidad
Optimizar el diseño del equipo de proceso
Experimentar con diseños y parámetros diferentes
Reducir costes minimizando la carga de trabajo experimental
Visualizar resultados utilizando potentes herramientas de postprocesado
El Módulo de Ingeniería Química se puede utilizar en un amplio rango de
aplicaciones. Entre otras áreas de aplicación están:
Ingeniería electroquímica
– Pilas de combustible y baterías.
– Electrolisis.
– Corrosión.
2.1.2.2. PROCEDIMIENTO DE MODELADO CON FEMLAB
El procedimiento de modelado del Módulo de Ingeniería Química involucra los
siguientes pasos:
– Crear o importar la geometría en 1D, 2D o 3D seleccionar las ecuaciones que
definen su sistema
– Especificar las propiedades físicas en las ecuaciones seleccionadas
– Definir condiciones iniciales y de contorno
– Generar y refinar la malla de elementos finitos
– Ejecutar la simulación
– Visualizar los resultados
➢
Modelado de la geometría
Se puede modelar una geometría complicada en 1D, 2D o 3D utilizando las
herramientas CAD disponibles. FEMLAB incluye un conjunto de objetos sólidos primarios
que podrá combinar, formando objetos compuestos, utilizando operaciones booleanas.
Puede importar archivos CAD con formatos DXF e IGES para posteriormente
convertirlos a objetos FEMLAB con la función de reparación de geometría. Se puede
especificar libremente los coeficientes y los términos que aparecen en las ecuaciones y
hacer que sean funciones de las variables solución, sus primeras derivadas, las
coordenadas espaciales o del tiempo.
➢
Establecimiento de las condiciones iniciales y de contorno
Cada una de las aplicaciones, listas para usar, define un conjunto de condiciones de
contorno adecuado. En balance de masas puede especificar flujos, composiciones,
expresiones de velocidad de reacciones y aislamiento. Los cuadros de diálogo de
condiciones de contorno pueden interpretar expresiones arbitrarias de las variables
modeladas y sus derivadas. Éstas también pueden variar en tiempo y en espacio.
➢
Establecimiento de las propiedades físicas
La simple selección de una aplicación predefinida proporcionará, automáticamente,
las ecuaciones y opciones de condiciones de contorno que gobiernan el modelo.
Entonces, puede definir fácilmente los coeficientes; por ejemplo el coeficiente de difusión,
velocidad de reacción y vector velocidad en la ecuación de difusión-convección-reacción.
La definición de las condiciones iniciales se hace de manera semejante y pueden ser
función de las variables modeladas y de las coordenadas espaciales. Las condiciones
iniciales pueden variar libremente en subdominios diferentes.
➢
Generación de la malla
El Módulo de Ingeniería Química utiliza mallas en forma triangular o tetraédrica que
se generan automáticamente para ajustarse a la geometría. Las funciones de mallado
pueden adaptar y refinar la malla mediante la minimización del error numérico de la
solución. También puede personalizar los parámetros del generador de malla
configurando el tamaño deseado de los elementos cercanos a un punto, una arista, una
superficie o un subdominio.
➢
Visualización y postprocesado
Una vez que el Módulo de Ingeniería Química ha calculado la solución del problema,
se dispone de una amplia lista de herramientas de postprocesado y visualización
específicas para ingeniería química. Puede combinar líneas de corriente, curvas de
niveles, superficies coloreadas y gráficos de campos vectoriales, para obtener una óptima
representación de los flujos, velocidades de reacción, composiciones o cualquier función
de las variables modeladas. En el menú de gráficos de secciones transversales, puede
proyectar los resultados sobre líneas y superficies para facilitar la interpretación
cuantitativa. También puede seguir el desarrollo de un variable en un punto, como función
del tiempo o a lo largo de líneas en diferentes pasos del tiempo. La característica de
integración de subdominios y fronteras simplifica el cálculo de integrales de flujos,
concentraciones y temperatura a lo largo de contornos y subdominios. Puede visualizar
resultados en animaciones, que se pueden salvar como archivos MPEG para luego
usarlos en presentaciones.
2.1.2.3. UN EJEMPLO DE APLICACIÓN EN PILAS DE COMBUSTIBLE
La característica de multifísica se utiliza en el modelado de una pila de combustible
de membrana de intercambio de protones (PEMFC), en la que la energía de activación se
da a través del potencial eléctrico de la pila. La velocidad de las reacciones
electroquímicas dependen de la composición de los reactantes y el potencial eléctrico
local. Estas expresiones no habituales y altamente no-lineales de concentración de
oxígeno en el cátodo de una pila de combustible (PEMFC) y sus implicaciones sobre la
distribución de corriente se manejan fácilmente a través del Módulo de Ingeniería
Química.
Concentración de oxígeno en el cátodo de una pila de combustible (PEMFC) y
sus implicaciones sobre la distribución de corriente.
(http://www.addlink.es/pdf/AGDweb174.pdf)
Se ha instalado una versión de evaluación en un ordenador portátil con las
siguientes características:
Modelo: ACER TravelMate 291LMi
Procesador: Intel® CentrinoTM Mobile Technology – Intel® Pentium® M 1.4 Ghz
RAM: 512 MB DDR SDRAM
Sistema Operativo: Windows XP Home Edition (Service Pack 2)
El software propuesto incluye los siguientes programas:
●
MATLAB v7.0 (http://www.mathworks.com/products/matlab/)
MATLAB es el nombre abreviado de “MATrix LABoratory”. MATLAB es un programa
para realizar cálculos numéricos con vectores y matrices. Como caso particular
puede también trabajar con números escalares −tanto reales como complejos−,
con cadenas de caracteres y con otras estructuras de información más complejas.
Una de las capacidades más atractivas es la de realizar una amplia variedad de
gráficos en dos y tres dimensiones. MATLAB tiene también un lenguaje de
programación propio. La versión 7.0 de este programa (también llamada release
14), apareció a mediados de 2004.
(http://mat21.etsii.upm.es/ayudainf/aprendainf/Matlab70/matlab70primero.pdf)
●
FEMLAB 3.1 (http://www.addlink.es/productos.asp?pid=306)
FEMLAB — Finite Element Modeling LABoratory — es un paquete de software
avanzado para el modelado y la simulación de cualquier proceso físico que se
pueda describir a través de ecuaciones en derivadas parciales.
Modelado de Catálisis heterogéneas
(http://www.addlink.es/pdf/AGDweb174.pdf)
2.1.2.4. ESTUDIO
Se han desarrollado dos modelos bidimensionales. Uno correspondiente a una
sección longitudinal vertical de uno de los stack del reactor electroquímico P-300, para el
estudio de la circulación del fluido a través de un stack.
El segundo modelo corresponde a una sección transversal vertical del reactor
completo (3 stack), para el estudio de la circulación del fluido a través de los diferentes
stacks.
La geometría, exportada en formato DXF desde AutoCAD 2005, se ha importado a
Femlab 3.1 sin problemas aparentes.
Se ha simulado el comportamiento fluidodinámico de las geometrías mencionadas,
suponiendo que las características del fluido a simular eran similares a las del agua a
temperatura ambiente, por ser prácticamente las mismas que las de la disolución de
trabajo que se utiliza en este reactor electroquímico.
2.1.2.5. RESULTADOS
En ambos casos se ha demostrado que, por ser circuitos hidráulicos
desequilibrados, existe un camino preferente para el fluido de trabajo, por lo que ni todos
los stacks reciben la misma cantidad de fluido ni la circulación a través de un único stack
es homogénea. Así, en el primer modelo el canal marcado como “a” es el camino
preferente para el fluido. En el segundo modelo, por el stack 1 circula mayor cantidad de
fluido que por el stack 2, y por éste, mayor cantidad que por el stack 3.
Se han simulado los mismos modelos modificados para obtener circuitos hidráulicos
equilibrados y los resultados reflejan unos flujos más homogéneos por todas las partes del
reactor electroquímico.
2.1.2.6. CONCLUSIONES
Después de los estudios realizados, las conclusiones obtenidas son las siguientes:
–
–
–
–
–
–
–
elementos a analizar, aunque dispone de algoritmos para la importación de
geometrías en formatos estandarizados DXF, IGES, etc...
La importación de geometrías en 3D en formato IGES (a partir de Solid Edge
v18) no se hacen correctamente.
El tiempo de cálculo para un modelo simple es de horas. Es evidente, por tanto,
la necesidad de una máquina con mayor capacidad de procesamiento.
Los módulos de pre-procesado (desarrollo de la geometría, mallado y definición
de condiciones de contorno), solver (resolución matemática del modelo) y postprocesado (presentación de resultados) están incluidos en un único software.
Disponible un módulo de Ingeniería Química, adecuado para aplicaciones de
células de combustible PEMFC, que hay que adquirir aparte.
La formación se imparte fuera de España.
2.1.3. COMSOL MULTIPHYSICS V3.2 (FEMLAB v3.2)
Versión 3.2 del entorno interactivo (antes Femlab v3.1) para el modelado y la simulación
de
fenómenos
físicos
y
procesos
en
la
ciencia
y
la
ingeniería.
(http://www.addlink.es/productos.asp?pid=87), que dispone, entre otros, de un módulo
específico para ingeniería química y un módulo para la importación de geometrías desde
otros sistemas CAD.
Este software posee las mismas características que su antecesor (Femlab v3.1) con
mejoras evidentes. Por este motivo, se decide abandonar el proceso de estudio con
Femlab v3.1 para iniciarlo con COMSOL MULTIPHYSICS v3.2.
Se ha instalado una versión de evaluación en un ordenador portátil con las
siguientes características:
Modelo: ACER Aspire 1691WLMi
Procesador: Intel® CentrinoTM – Intel® Pentium® M730 1.6 Ghz
2.1.3.1. ESTUDIO
Entre otros casos, se ha repetido el estudio con los dos modelos bidimensionales
desarrollados para Femlab 3.1. Además, se ha desarrollado un modelo tridimensional de
uno de los stack con los colectores de entrada y salida para un estudio tridimensional del
flujo. Este modelo se ha generado utilizando Solid Edge v18.
Esta geometría tridimensional se ha trasladado después a COMSOL Multiphysics 3.2
mediante el formato de intercambio IGES.
2.1.3.2. RESULTADOS
En el estudio de los modelos bidimensionales no se ha obtenido resultado alguno, ya que
la importación de los modelos en formato DXF no ha podido realizarse sin errores.
Aunque el modelo tridimensional exportado (formato IGES) desde Solid Edge v18 ha sido
importado sin errores aparentes por COMSOL Multiphysics 3.2, no se ha podido estudiar
por causa de otros errores aparecidos durante el proceso de generación del mallado.
Aunque se ha dirigido una consulta al respecto de los mencionados errores a personal
técnico de la empresa distribuidora, no ha habido respuesta alguna.
Después de los estudios realizados, las conclusiones obtenidas han sido las
siguientes:
–
–
–
–
–
–
–
elementos a analizar, aunque dispone de algoritmos para la importación de
geometrías en formatos estandarizados DXF, IGES, etc...
v18) se hacen correctamente.
El tiempo de cálculo para un modelo simple es de horas. Es evidente, por tanto,
la necesidad de una máquina con mayor capacidad de procesamiento.
de condiciones de contorno), solver (resolución matemática del modelo) y postprocesado (presentación de resultados) están incluidos en un único software.
Disponible un módulo de Ingeniería Química, adecuado para aplicaciones de
células de combustible PEMFC, que hay que adquirir aparte.
La formación se imparte fuera de España.
Por estos motivos (principalmente los económicos) se decide explorar otro software CFD.
2.1.4. ANSYS CFX 10.0
El software de ANSYS CFX (http://www.ansys.com/products/cfx.asp) ofrece la mejor
tecnología CFD (Computational Fluid Dynamics ) para simulaciones de todos los niveles
de complejidad. ANSYS-CFX se integra dentro del entorno de trabajo ANSYS Workbench
como una herramienta más de ingeniería asistida por ordenador (CAE).
El Servicio General de Informática (SGI-IZO) aplicada a la Investigación (Cálculo
Científico) (http://www.ehu.es/SGI/) proporciona recursos de cálculo intensivo (cluster de
cálculo ARINA, entre otros) a los investigadores, los asiste en el uso de las estrategias de
computación más adecuadas a sus necesidades y los orienta en el empleo de
ordenadores en sus investigaciones. Este Servicio, que se enmarca dentro del Servicio
General de Investigación (SGIker) de la UPV/EHU, ofreció la compra de varias licencias
del software ANSYS CFX 10.0 para ponerlas a disposición de los investigadores que
demanden un software de simulación CFD.
El cluster Arina, utilizado para la realización de este trabajo, consta de 88
pocesadores Itanium2 y 20 procesadores de doble núcleo opteron. Existen dos servidores
de conexión y compilación: Arina) con procesadores Itanium2 para compilar programas
para procesadores Itanium2 y Maiz, con procesadores opteron para compilar programas
para procesadores opteron. En total hay 128 núcleos, 264 GB de RAM y 4.7 TB de disco
(más discos locales).
Después de un estudio previo de toda la información disponible sobre el software
ANSYS CFX 10.0, las conclusiones obtenidas son las siguientes:
–
Entorno gráfico potente e intuitivo, muy similar al de cualquier programa de CAD
–
–
–
–
–
3D. Además, dispone de algoritmos para la importación de geometrías en
formatos estandarizados DXF, IGES, etc...
v18) se hacen correctamente.
El tiempo de cálculo para un modelo simple es de minutos, mucho menor que el
empleado con FEMLAB.
de condiciones de contorno), solver (resolución matemática del modelo) y postprocesado (presentación de resultados) están incluidos en un único entorno,
ANSYS Workbench, que permite integrar en una sola herramienta desde los
análisis preliminares más simples hasta los más complejos estudios de detalle y
validación.
El coste anual por licencia no se carga a los presupuestos del grupo de
investigación, gracias al Servicio General de Informática (SGI-IZO).
Existe un centro de formación homologado en Madrid.
Por todo ello, se decide adoptar ANSYS CFX 10.0 como software de simulación CFD para
su aplicación en las investigaciones sobre celdas de combustible, que el Laboratorio de
Química Industrial e Ingeniería Electroquímica de la Escuela Universitaria Politécnica
de San Sebastián está desarrollando.
2.2. ANSYS CFX 10.0
Se ha instalado una versión licenciada en un ordenador portátil con las siguientes
características:
Modelo: ACER Aspire 1691WLMi
Procesador: Intel® CentrinoTM – Intel® Pentium® M730 1.6 Ghz
y otra en un ordenador personal con las siguientes características:
Procesador: Intel® CoreTM Duo T2400 1.83 Ghz
Sistema Operativo: Windows XP Professional (Service Pack 2)
Esta versión licenciada incluye los siguientes programas:
●
●
●
●
●
●
ANSYS Workbench
ANSYS Design Modeler (incluido en ANSYS Workbench)
ANSYS CFX 10.0
ICEM-CFD
ANSYS FLEXlm License Manager
ANSYS Workbench es un revolucionario entorno de trabajo que permite integrar
en una sola herramienta desde los análisis preliminares más simples hasta los más
complejos estudios de detalle y validación. La eficacia del entorno se basa en tres
pilares básicos: la facilidad de manejo, la automatización del proceso de simulación
y la transferencia de información.
(http://www.ingeciber.com/productos/workbench.php)
(http://www.ansys.com/products/images/cfx_workflow.jpg)
●
ANSYS DesignModeler es un analizador de geometría con el que se puede tanto
generar un modelo tridimensional desde cero como, lo que resulta más importante,
modificar un modelo CAD existente y prepararlo para la simulación, siempre sin
perder la asociatividad con el CAD y el resto de aplicaciones Workbench.
(http://www.ingeciber.com/productos/soluciones_ansys/modulos_workbench.php)
●
ANSYS CFX 10.0 (http://www.ansys.com/products/cfx.asp)
●
ICEM CFD ofrece múltiples herramientas de generación del mallado, capacidad
para parametrizar la geometría en mallas hexaédricas, tetraédricas, piramidales y
prismáticas, estructuradas y no estructuradas. Asimismo, crea multibloques
híbridos formados por mallas combinadas con cualquiera de los tipos de elementos
anteriores. (http://www.ansys.com/products/icemcfd-mesh-gen.asp)
●
ANSYS FLEXlm License Manager es el gestor de licencias flotantes utilizado en
esta versión. (http://www.ansys.com/services/flexlm/index.htm)
2.2.1. ESTUDIO DEL REACTOR ELECTROQUÍMICO P-300
Inicialmente, como medio de aprendizaje de utilización del software ANSYS-CFX, se ha
simulado el comportamiento fluidodinámico del Reactor Electroquímico P-300.
El procedimiento seguido en cada simulación ha sido el siguiente:
1. Crear o importar la geometría (ANSYS DesignModeler)
2. Generar y refinar la malla de elementos finitos (CFX Mesh)
3. Especificar las propiedades físicas y definir condiciones iniciales y de
contorno (Advanced CFX-Pre)
4. Ejecutar la simulación (Advanced CFX-Solver)
5. Visualizar los resultados (Advanced CFX-Post)
2.2.1.1. Reactor Electroquímico P-300. Anolito (3 stack)
Toda la geometría se ha creado directamente en ANSYS DesignModeler.
Para este primer modelo se ha configurado un mallado con menor definición en los stacks
y mayor definición tanto en los colectores de entrada y salida, como en las zonas de
entrada y salida a los stacks. El resultado del mallado es el siguiente:
La geometría se ha dividido en un total de 1.025.425 elementos, repartidos en tres
tipos:
●
●
●
Tetraedros: 755.069
Pirámides: 674
Cuñas: 289.682
Resultando en un total de 312.024 Nodos de cálculo.
En la siguiente imagen puede apreciarse el aspecto del mallado creado.
Las condiciones de control, así como las características del fluido de trabajo se han
extraído de los datos que se manejan en el laboratorio en los ensayos con el Reactor
Electroquímico P-300 (Proyecto de Depuración de Aguas Residuales industriales. Aguas
fenólicas)
Una vez resuelto el modelo mediante Advanced CFX-Solver, el módulo de
postprocesado nos ofrece de una forma gráfica el resultado del cálculo. Entre los
resultados obtenidos, en la figura adjunta se presentan los siguientes:
●
●
●
Perfil de velocidades en los colectores de entrada
Perfil de velocidades en los stacks
Líneas de flujo a lo largo del modelo completo
2.2.1.2. Resultados
En esta primera aproximación al modelo completo del Reactor Electroquímico P-300, se
analiza el comportamiento fluidodinámico del fluido de trabajo. De este análisis se puede
concluir (conclusiones obtenidas ya con Femlab 3.1):
●
●
El flujo no es homogéneo por todo el Reactor
El flujo no es homogéneo dentro de cada stack
Estas conclusiones indican un funcionamiento no homogéneo del Reactor y, por lo tanto,
un rendimiento escaso del mismo. Se hace necesario variar la geometría para obtener un
flujo lo más homogéneo posible. El siguiente paso: Análisis de un modelo hidráulicamente
equilibrado.
2.2.1.3. Reactor Electroquímico P-300. Anolito. Circuito equilibrado (3 stack)
Siguiendo un proceso similar al anterior:
Entorno de trabajo Workbench
Generación de la geometría en DesignModeler
Generación del mallado con CFX Mesh
Asignación de características físicas y condiciones de contorno en CFX-Pre
Resolución del problema y control del proceso en CFX-Solver
Presentación de resultados en CFX-Post
2.2.1.4. Resultados
Una vez analizados los resultado obtenidos en esta simulación, se concluye que el flujo
aunque ha mejorado, no es del todo homogéneo a través de todo el Reactor.
Otra de las conclusiones es que, es imprescindible simplificar el modelo a simular. Puesto
que obtener un mallado adecuado al modelo implica completar el ciclo de cálculo, y dado
que el tiempo de cálculo consumido para cada situación diferente de mallado es amplio
(varias horas), el tiempo total invertido en el análisis es excesivo.
Simplificar el modelo a analizar supone agilizar el análisis, ampliar el número de
situaciones a estudiar y, por tanto, rentabilizar el tiempo investigación.
Así, un modelo más ligero (aunque más completo) es el correspondiente a una
configuración del Reactor con un único stack. El objetivo es el de simular un stack a la vez
que se experimenta en el laboratorio con un único stack también.
2.2.1.5. Reactor Electroquímico P-300. Anolito-Catolito (1 stack)
En este modelo se definen dos zonas: Anolito y Catolito. El procedimiento seguido es
similar a los anteriores.
Modelado y generación del mallado
Los resultados utilizados para estudiar el comportamiento fluidodinámico del stack son los
perfiles de velocidad y las líneas de flujo o “streamline”, tanto en el área del anolito como
del catolito. Además de un perfil de velocidades de los colectores de entrada y salida del
Reactor Electroquímico.
Estos resultados se presentan en la siguientes figuras:
Presentación de resultados en CFX-Post
2.2.2. ESTUDIO DE LA CELDA DE COMBUSTIBLE DE HIDRÓGENO
Siguiendo uno de los objetivos de la primera línea de investigación, se trata de
establecer un modelo matemático generalizado para celdas de combustible de membrana
de intercambio protónico, y en especial para pilas de oxidación directa de metanol y de
hidrógeno.
2.2.2.1. ANÁLISIS 1
Para este estudio se ha diseñado y fabricado un prototipo de celdas de hidrógeno.
El procedimiento seguido para el primer análisis del comportamiento fluidodinámico
de la celda ha sido similar a los seguidos anteriormente.
Modelado de una semicelda (Circuito de H2)
Generación del mallado
Asignación de características físicas y condiciones de contorno en CFX-Pre
Detalle de las líneas de flujo (streamline) en una zona de la celda, en CFX-Post
2.2.2.2. Resultados
Una vez analizados los resultados obtenidos en esta simulación, se observa que el flujo
no tiene una velocidad homogénea a lo largo de todo el recorrido del canal de la celda. En
diferentes puntos el flujo se acelera hasta prácticamente duplicar su velocidad. Esta
situación puede provocar pérdida del rendimiento de la celda, por lo que se hace
necesaria una modificación del modelo geométrico para evitarla.
2.2.2.3. ANÁLISIS 2
Para este análisis se ha partido del modelo anterior con algunas modificaciones
geométricas en los canales de distribución del hidrógeno.
Modelado y mallado de la semicelda (Circuito de H2)
Detalle de las líneas de flujo (streamline) en una zona de la celda, en CFX-Post
2.2.2.4. Resultados
Una vez analizados los resultados obtenidos en esta simulación, se observa que el flujo
es mucho más homogéneo a lo largo de todo el recorrido que en el canal de la celda
original.
2.3. TRABAJOS FUTUROS
Este trabajo no ha sido más que el comienzo de una serie de trabajos, cuyo objetivo
global, el de esta primera línea de investigación, es el de establecer un modelo
matemático generalizado completo para celdas de combustible de membrana de
intercambio protónico, y en especial para las pilas de oxidación directa de metanol y de
hidrógeno que se van a experimentar en el Laboratorio de Química Industrial e
Ingeniería Electroquímica de la Escuela Universitaria Politécnica de San Sebastián.
Una vez definido el comportamiento fluidodinámico de las celdas, el siguiente paso debe
ser la implementación de un modelo matemático que sea representativo del
comportamiento electroquímico de la celda.
Estos modelos, una vez que se haya comprobado su validez, por comparación de
los resultados teóricos con los resultados experimentales obtenidos en la estación de pilas
de que dispone el Grupo, servirán para predecir el comportamiento futuro de distintos
diseños de celdas de combustible con el objetivo final de mejorar la eficiencia de las
mismas.
3. BIBLIOGRAFÍA
[1] Bifunctional amorphous alloys more tolerant to carbon monoxide.
Journal of Power Sources, Volume 169, Issue 1, 10 June 2007, Pages 71-76
J. Barranco and A.R. Pierna.
[2] Amorphous Ni59Nb40Pt(1−x)Yx (Y = Sn, Ru; x = 0%, 0.4%) modified carbon paste
electrodes and their role in the electrochemical methanol deprotonation and CO
oxidation
process.
Journal of Non-Crystalline Solids, Volume 353, Issues 8-10, 15 April 2007, Pages
851-854
J. Barranco and A.R. Pierna
[3] Application
of
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materials
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2003, Pages
M. Sistiaga and A. R. Pierna
for
Issues
fuel
cells.
1-3, 1 November
184-187
[4] Electrochemical treatment of toxic compounds on the surface of amorphous Ni–Nb–
Pt–Sn
alloys
Journal of Non-Crystalline Solids, Volume 287, Issues 1-3, July 2001, Pages 432436
A.R Pierna, M Sistiaga, C Navascués and A Lorenzo
[5] Influence of glass diaphragms and anionic membranes in the electrochemical
oxidation
of
aromatic
aqueous
solutions
Electrochimica Acta, Volume 46, Issues 2-3, 1 November 2000, Pages 315-322
A. R. Pierna, M. Sistiaga, C. Navascués, A. Altube, A. Lorenzo and F. F. Marzo
[6] Characterization by electrolyte electroreflectance and X-ray photoelectron
spectroscopy of amorphous Ni59Nb40Pt1−xSnx alloys and their activation by HF
solutions
Surface Science, Volume 410, Issues 2-3, 1 August 1998, Pages 312-320
M. Sistiaga, A. Cuesta, A. R. Pierna and C. Gutiérrez
[7] Electrooxidation of phenol on amorphous Ni–40Nb–(1−x)Pt–xSn alloys
Applied Surface Science, Volume 133, Issues 1-2, May 1998, Pages 124-128
M. Sistiaga, A. R. Pierna, F. F. Marzo, A. Altube and A. Lorenzo
[8] Handbook of Fuel Cells: Fundamentals, Technology and Applications, Edited by
Wolf Vielstich, Hubert A. Gasteiger, Arnold Lamm, vol. 1: Fundamentals and survey
of systems
[9] Nerea Vara Salazar, Proyecto Fin de Carrera, “Producción de energía verde con
nuevos materiales anódicos amorfos de composición NiNbPtSb: Celda de
combustible de oxidación directa de metanol (DMFC)”, Universidad del País Vasco,
2004.
[10] Fuel Cell Systems Explained, James Larminie, Andrew Dicks, Ed. Wiley, Second
Edition
[11] PEM Fuel Cells; Theory and Practice, Frano Barbiv, Ed. Elsevier Academic Press
4. AGRADECIMIENTOS
A todo el Departamento de Expresión Gráfica y Proyectos de Ingeniería de la
Universidad del País Vasco, especialmente al profesor Dr. D. Agustín Arias Coterillo, por
su atención y apoyo en la tutorización de este trabajo.
Mi más sincero agradecimiento también a todo el grupo de “Vidrios Metálicos y
Nanotecnologías” del Laboratorio de Química Industrial e Ingeniería Electroquímica
de la Escuela Universitaria Politécnica de San Sebastián, y muy especialmente al
Profesor Dr. Florencio Fernández Marzo, por su amistad, paciencia y su constante apoyo
durante el desarrollo de este trabajo.
Así mismo, al Servicio General de Informática Aplicada a la Investigación (SGI/IZOSGIker) de la UPV/EHU (apoyado por el programa nacional para la promoción de
recursos humanos dentro del plan nacional de la investigación científica, desarrollo e
innovación - Fondo Europeo social, MCyT y gobierno vasco) por la cantidad de recursos
de cómputo asignados para el desarrollo de este trabajo (Licencias para el software
ANSYS CFX 10.0 y cluster Arina).

optimización del diseño de una celda de combustible

Transcripción

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