Modelamiento y simulación de la hidrodinámica de micro canales en placas bipolares para PEMFC

Abstract

Resumen: Las celdas de combustible representan una excelente alternativa energética gracias a sus características, como son su poca contaminación ambiental, mayor eficiencia, menor tamaño que algunas máquinas térmicas y su configuración modular, de forma que se puede obtener la potencia necesaria para la aplicación que vayamos a usar. Las placas bipolares son dispositivos que permiten unir celdas individuales para obtener mayores potencias. Este estudio se centró en el efecto del diseño de una placa bipolar sobre el desempeño global de la celda de combustible. Para ello fue necesario comprender el comportamiento hidrodinámico de las mismas y su relación con cada uno de los componentes de la celda para poder relacionar las pérdidas asociadas a cada proceso. Para el diseño de placas bipolares se obtuvo un modelo en tres dimensiones que se simuló a través de Dinámica de Fluidos Computacional (CFD por sus siglas en inglés). Se estudiaron diferentes configuraciones de campos de flujo en serpentín e interdigitados con el propósito de mejorar el desempeño de una celda de combustible de etanol directo (DE-PEMFC por sus siglas en inglés). Los resultados experimentales presentados fueron obtenidos con celdas de combustible de hidrógeno por simplificación de la cinética electroquímica. Los resultados obtenidos muestran que a pesar de que la zona de activación no es tan precisa, los resultados obtenidos simulan bien el comportamiento de los datos experimentales. Los campos de flujo en serpentín muestran una mejora significativa al incrementar la profundidad de los canales de flujo en la placa bipolar. Los campos de flujo interdigitados muestra mejor desempeño al incrementar el ancho de los colectores. Los campos de flujo interdigitados presentan mejor desempeño que los de serpentín

Abstract: Fuel cells represent an excellent energy source due to their features such as less environmentalpollution, higher efficiencies, less size than thermal machines and their modular configuration for obtaining power according to the application. Bipolar plates allow us getting higher power values by putting individual cells together. This study is focus on the effect of bipolar plates design over global performance in a fuel cell. Hydrodynamic behavior of bipolar plates was necessary for relating each component in the fuel cell with losses associated to internal process. For bipolar plates design, a 3D model was obtained and simulate through Computational Fluids Dynamics (CFD). Different serpentine and interdigitatedflow fields were studied to improve a Direct Ethanol Proton Exchange Fuel Cell (DE-PEMFC) performance. Experimental results presented here were obtained with hydrogen to simplify the electrochemistry kinetics. Despite of poor accuracy on the activation zone, obtained results are well simulated compared with experimental data. Serpentine flow field’s show meaningful improves by increasing bipolar plate channel depth. Interdigitated flow field’s show meaningful improves by increasing collector’s width. Interdigitated flow fields show a better performance than serpentine ones