Modelización y simulación numérica de procesos de degradación en pilas de combustible poliméricas de alta temperatura

Raga Barciela, Cristina
Valiño Garcia, Luis (dir.)

Universidad de Zaragoza, 2024

Resumen: Este estudio presenta una estrategia novedosa para la parametrización de la degradación de las pilas de combustible de membrana de intercambio protónico de alta temperatura (HTPEMFC) con mediciones experimentales limitadas. El método propuesto identifica eficientemente los parámetros de degradación electroquímica para modelos 3D de pilas de combustible mediante la integración de simulaciones computacionales y algoritmos genéticos. Se trata de un procedimiento no invasivo que permite estimar estos parámetros que, de otro modo, serían muy difíciles de medir experimentalmente. Para reducir la carga computacional asociada a la evaluación del modelo 3D en cada iteración de optimización, se ha desarrollado una estrategia de desacoplamiento. Mediante un proceso iterativo, este enfoque permite separar la resolución de la dinámica de fluidos de la electroquímica.
Se han incorporado a estas herramientas varios modelos electroquímicos para describir los mecanismos de degradación que afectan al rendimiento de las pilas de combustible. En primer lugar, se ha incorporado un modelo que describe la corrosión del soporte de carbono en la capa catalítica del cátodo y la oxidación superficial de las partículas de platino. En segundo lugar, se ha introducido una ecuación empírica para representar la reducción de la conductividad protónica causada por la pérdida de ácido fosfórico de la membrana. Por último, se han añadido dos modelos para captar los efectos combinados de disolución (Ostwald ripening) y la aglomeración del platino, que conducen a un aumento del tamaño de las partículas de platino y a la consiguiente reducción de su actividad catalizadora.
Estos modelos han sido probados en dos casos de estudio con el fin de comprobar el comportamiento del modelo y analizar los resultados, comparándolos con los datos empíricos disponibles. En el primer caso, se han integrado los modelos que abordan la corrosión y la pérdida de ácido fosfórico, mientras que en el segundo se considera también el crecimiento del radio de las partículas de platino. Los resultados revelan que, en un conjunto específico de condiciones de funcionamiento medidas, es posible identificar una combinación única de parámetros electroquímicos. Esta combinación ajusta eficazmente el modelo 3D con la curva deseada de pérdida de tiempo-voltaje en el primer caso y, además, captura el incremento del radio medio de las partículas de platino en el segundo caso.


Resumen (otro idioma): 

Pal. clave: mecánica de fluidos

Titulación: Programa de Doctorado en Mecánica de Fluidos

Plan(es): Plan 516

Área de conocimiento: Ingeniería y Arquitectura

Nota: Presentado: 16 07 2024

Nota: Tesis-Univ. Zaragoza, , 2024

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