Modelado fenomenológico y diseño optimo de celdas de combustible tipo PEM de baja temperatura

Abstract

La presente tesis tiene como objetivo la comprensión detallada de los fenómenos que tienen lugar dentro de una pila de combustible de membrana de electrolito de polímero de baja temperatura (PEMFC) a través del modelado fenomenológico. Mediante un enfoque analítico, se obtienen soluciones analíticas simplificadas para el flujo de gas y líquido y la composición del gas en la capa de difusión de gas (GDL) en el lado del cátodo. En adición, se desarrolla un modelo fenomenológico discretizado 1-D para el transporte de masa dentro del lado del cátodo del GDL mediante el uso de ecuaciones integrales sobre volúmenes finitos. El modelo es implementado en el Sistema de Modelado Algebraico General (GAMS). Además, se desarrolla e implementa un modelo de caracterización de la estructura porosa del GDL como una red de tubos cónicos (CTN), con todos los parámetros del modelo determinados mediante datos experimentales de Porosimetría de Intrusión de Mercurio (MIP). Luego, se desarrolla e implementa un modelo simplificado de flujo de gas y líquido para la dinámica de fluidos dentro del CTN. En adición, se desarrolla un modelo de la PEMFC completa, considerando los modelos previos del presente trabajo. Para esto, se desarrolla e integra con los modelos del ánodo y cátodo, un modelo 1-D discretizado de la membrana, considerando simultáneamente flujo de líquido por arrastre electro-osmótico y difusión. Por último, se evalúa la optimización de las variables operativas y de diseño de la PEMFC completa con el objetivo de maximizar la Energía suministrada por mol de combustible alimentado.

The objective of the present thesis is the detailed understanding of the phenomena that take place inside a low-temperature polymer electrolyte membrane fuel cell (PEMFC) by phenomenological modeling. Through an analytical approach, simplified analytical solutions are obtained for gas and liquid flow, and for gas composition in the gas diffusion layer (GDL) on the cathode side. In addition, a 1-D discretized phenomenological model is developed for mass transport within the cathode side of the GDL by using integral equations on finite volumes. The model is implemented in the General Algebraic Modeling System (GAMS). Furthermore, a characterization model of the GDL porous media as a conical tube network (CTN) is developed and implemented, with all the parameters of the model determined through experimental data from Mercury Intrusion Porosimetry (MIP). Then, a simplified gas and liquid flow model is developed and implemented for fluid dynamics within the CTN. Moreover, a model of the complete PEMFC is developed, considering the previous models of this work. Thus, a 1-D discretized model of the membrane is developed and integrated with the anode and cathode models, considering liquid flow by electro-osmotic drag and diffusion simultaneously. Finally, the optimization of the operational and design variables of the complete PEMFC is evaluated with the objective of maximizing the energy delivered per mole of fuel fed.