Pem fuel cell spatial homogeneity and temporal stability study using long-term dynamic simulations

Resumen

La estabilidad temporal y la homogeneidad espacial de una pila de combustible de membrana electrolítica polimérica (PEMFC) durante una operación en demanda de corriente constante son factores clave para asegurar la durabilidad de los componentes. Variaciones en el estado de funcionamiento espaciales y temporales tales como de densidad de corriente, de concentración de especies o de cantidad de agua en la membrana son causantes de degradación no uniforme en la pila, reduciendo su vida útil. Para estudiar los parámetros de operación y diseño que contribuyen en la mejoría del comportamiento en estabilidad y homogeneidad se ha desarrollado un modelo dinámico pseudo-3D que es capaz de realizar simulaciones de larga duración y de forma intensiva de la PEMFC con un bajo coste computacional. El modelo ha sido diseñado para simular el impacto de diferentes topologías de distribuciones de flujo y parámetros operacionales, para evaluar el rendimiento global de la celda considerado fenómenos importantes que afectan a la homogeneidad y estabilidad, como la evolución de la concentración de la humedad relativa y los combustibles, el movimiento de las gotas de agua dentro de los canales de distribución de gas o las las reacciones electroquímicas, entre otros. El modelo ha sido implementado usando una estrategia secuencial de submodelos independientes interconectados. Esta estrategia permite validar y analizar de forma independiente cada submodelo e interrelacionarlos usando las variables de estado necesarias. El modelo completo está formado por dos grupos de submodelos que representan los principales componentes físicos, a) la MEA y b) el patrón de flujo. Los fenómenos físicos que ocurren en cada componente són, en la MEA las reacciones electroquímicas, el balance de agua de la membrana, la difusión de gases y agua en las capas de difusión gaseosa (GDL), la evaporación de agua y extracción de agua líquida de las GDL; en el patrón de flujo se modela la perdida de presión del gas debido a la geometría del canal y consumo de especies, la distribución de las especies dentro de los canales, el movimiento del agua líquida en forma de gotas, la evaporación de las gotas, y la reabsorción de agua hacia la GDL. La validación del modelo se ha realizado usando datos experimentales de una pila de 25 cm2 con un solo serpentín operando en ciclos de secado y humectación y con una pila segmentada de 141 cm2 con 23 canales en paralelo usando diferentes niveles de humidificación para observar la distribución de corriente. Los datos experimentales usados han permitido validar el modelo de forma dinámica y espacial, enfocando la validación a la gestión del agua en la celda. El modelo ha sido usado para estudiar múltiples configuraciones de celda y evaluar su homogeneidad y estabilidad. Para el estudio se han realizado un total de 52 simulaciones. Las simulaciones han servido para evaluar el efecto de la relación canal-costilla, el número de canales paralelos y la relación de estequiometría. Se ha comparado el uso de canales paralelos en serpentín con canales rectos paralelos. Además, se ha estudiado el impacto de variaciones individuales de parámetros de diseño de la pila como el grosor de la capa difusora, el grosor de la membrana o de parámetros operativos como la temperatura o el sentido del flujo de los gases en co-flujo o a contra-flujo. Los resultados de los experimentos realizados muestran la importancia de un adecuado patrón de flujo y del flujo de gas utilizado para eliminar correctamente el agua líquida de los canales y mantener una alimentación constante y uniforme. Además, se ha observado la relevancia de asegurar un grosor tanto de la capa difusora como de la membrana para tener un balance adecuado de agua entre el ánodo y el cátodo, y reducir la variabilidad local debida a la variabilidad de la eliminación de agua líquida de la GDL. También se ha demostrado importante el impacto de la temperatura en la homogeneidad y estabilidad de la celda debido a su influencia en la capacidad de evaporación de agua. Finalmente, el efecto del sentido del flujo de los gases a contra-flujo o en co-flujo se ha demostrado signifivo en la homogeneidad de la densidad de corriente de la celda.