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 UnibertsitateaDpto. de Expresión Gráfica y Proyectos de IngenieríaEscuela Universitaria de Ingeniería Técnica Industrial de BilbaoPlaza La Casilla, 3. 48012angel.perez@ehu.es

TUTOR: Dr. D. Agustín Arias Coterillo

Universidad del País Vasco / Euskal Herriko UnibertsitateaDpto. de Expresión Gráfica y Proyectos de IngenieríaEscuela Superior de Ingeniería de Bilbao.Almd. Urquijo s/n. 48013agustin.arias@ehu.es

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 historiaEl 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 fenol-formaldehido. 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 VascoDURACIÓN DESDE: 01-01-95 HASTA: 31-12-95INVESTIGADOR PRINCIPAL: Dr. Ángel Rodríguez Pierna

TÍTULO DEL PROYECTO: Estudio de Vidrios Metálicos de base Níquel como Electrodos Selectivos en la Depuración de Aguas ResidualesENTIDAD FINANCIADORA: Universidad del País VascoDURACIÓN DESDE:16-10-95 HASTA: 15-10-96INVESTIGADOR PRINCIPAL: Dr. Ángel Rodríguez Pierna

TÍTULO DEL PROYECTO: Desarrollo de sensores electroquímicos de naturaleza metálica amorfa: Aplicación al tratamiento de aguas residualesENTIDAD FINANCIADORA: Exma. Diputación Foral de GuipúzcoaDURACIÓN DESDE 01-10-95 HASTA: 30-11-96INVESTIGADOR PRINCIPAL: Dr. Ángel Rodríguez Pierna

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 GuipúzcoaDURACIÓN DESDE 01-10-97 HASTA: 30-09-98INVESTIGADOR PRINCIPAL: Dr. Ángel Rodríguez Pierna

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.DURACIÓN DESDE 20-06-97 HASTA: 01-07-00INVESTIGADOR 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 DURACIÓN DESDE 1-10-99 HASTA: 30-09-00INVESTIGADOR PRINCIPAL: Dr. Ángel Rodríguez Pierna

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 DURACIÓN DESDE 1-11-99 HASTA: 30-10-02INVESTIGADOR PRINCIPAL: Dr. Ángel Rodríguez Pierna

TÍTULO DEL PROYECTO: Nuevos materiales electrocatalíticos de naturaleza amorfa y nanocristalina. Aplicación a la electrooxidación de disoluciones Fenol-Hidroquinona y Benzoquinona. ENTIDAD FINANCIADORA: Excma. Diputación Foral de Guipúzcoa DURACIÓN DESDE 30-06-01 HASTA: 30-7-2002INVESTIGADOR PRINCIPAL: Dr. Ángel Rodríguez Pierna

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 DURACIÓN DESDE 31-07-02 HASTA: 31-06-2005INVESTIGADOR 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) DURACIÓN DESDE 01-05-04 HASTA: 31-05-2006INVESTIGADOR PRINCIPAL: Dr. Ángel Rodríguez Pierna

TÍTULO DEL PROYECTO: Estudio técnico-económico de pilas de combustible de oxidación directa de metanol. ENTIDAD FINANCIADORA: Excma. Diputación Foral de Guipúzcoa DURACIÓN DESDE 1-12-2005 HASTA: 30-11- 2007 INVESTIGADOR PRINCIPAL: Dr. Ángel Rodríguez Pierna

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) DURACIÓN DESDE 01-07-06 HASTA: 31-12-07 INVESTIGADOR PRINCIPAL: Dr. Ángel Rodríguez Pierna

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 DURACIÓN DESDE 01-10-06 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. DURACIÓN DESDE 01-12-06 HASTA: 31-11-2010INVESTIGADOR 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-2006ENTIDAD FINANCIADORA: Universidad Pais Vasco -UPVDURACIÓN DESDE 01-10-06 HASTA: 31-09-2009INVESTIGADOR 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 H2 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

LABORATORIO DE QUÍMICA INDUSTRIAL E INGENIERÍA ELECTROQUÍMICA (GRUPO DE VIDRIOS METÁLICOS Y

NANOTECNOLOGÍAS)Área de la Ciencia(*) TECNOLOGÍA QUÍMICA y CIENCIA Y TECNOLOGÍA DE MATERIALES

LÍNEAS DE INVESTIGACIÓN

Primera ELECTROCATÁLISIS Y PILAS DE COMBUSTIBLE (DMFC, DEFC y PEMFC)

Código UNESCO: 30309 221012

Segunda ELECTROQUÍMICA Y CORROSIÓN DE MATERIALES METALICOS AMORFOS Y NANOESTRUCTURADOS.

Código UNESCO: 221005 330309

Tercera MATERIALES METÁLICOS AMORFOS. BIOMATERIALES Y SENSORES MAGNÉTICOS.

Código UNESCO: 331299 331511

(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+ + 6e-

Cátodo: 3/2 O2 + 6H+ + 6e- à 3H2OReacción 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 y corrosión de materiales metálicos amorfos y nanoestructurados

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 magnéticosPor 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 CFDUna 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 v6.2Durante 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 elementsCourtesy 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 v3.1Versión 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.

(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 291LMiProcesador: Intel® CentrinoTM Mobile Technology – Intel® Pentium® M 1.4 GhzRAM: 512 MB DDR SDRAMSistema 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)

Concentración de oxígeno en el cátodo de una pila de combustible (PEMFC) y sus implicaciones sobre la distribución de corriente.

● 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:

– Entorno gráfico árido. Poca facilidad para el desarrollo de la geometría de los 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 post-procesado (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.

– El coste anual por licencia se escapa por completo a las capacidades del grupo de investigación en este aspecto.

– 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 1691WLMiProcesador: Intel® CentrinoTM – Intel® Pentium® M730 1.6 GhzRAM: 1024 MB DDR SDRAMSistema Operativo: Windows XP Home Edition (Service Pack 2)

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.

2.1.3.3. CONCLUSIONES

Después de los estudios realizados, las conclusiones obtenidas han sido las siguientes:

– Entorno gráfico árido. Poca facilidad para el desarrollo de la geometría de los 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) 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 post-procesado (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.

– El coste anual por licencia se escapa por completo a las capacidades del grupo de investigación en este aspecto.

– La formación se imparte fuera de España.

Por estos motivos (principalmente los económicos) se decide explorar otro software CFD.

2.1.4. ANSYS CFX 10.0El 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).

2.1.4.1. CONCLUSIONES

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...

– La importación de geometrías en 3D en formato IGES (a partir de Solid Edge v18) se hacen correctamente.

– El tiempo de cálculo para un modelo simple es de minutos, mucho menor que el empleado con FEMLAB.

– Los módulos de pre-procesado (desarrollo de la geometría, mallado y definición de condiciones de contorno), solver (resolución matemática del modelo) y post-procesado (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 10.0Se ha instalado una versión licenciada en un ordenador portátil con las siguientes

características:Modelo: ACER Aspire 1691WLMiProcesador: Intel® CentrinoTM – Intel® Pentium® M730 1.6 GhzRAM: 1024 MB DDR SDRAMSistema Operativo: Windows XP Home Edition (Service Pack 2)

y otra en un ordenador personal con las siguientes características:

Procesador: Intel® CoreTM Duo T2400 1.83 GhzRAM: 2048 MB DDR SDRAMSistema 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-300Inicialmente, 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 HIDRÓGENOSiguiendo 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 FUTUROSEste 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 71-76J. 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 851-854J. Barranco and A.R. Pierna

[3] Application of amorphous materials for fuel cells.Journal of Non-Crystalline Solids, Volume 329, Issues 1-3, 1 November 2003, Pages 184-187M. Sistiaga and A. R. Pierna

[4] Electrochemical treatment of toxic compounds on the surface of amorphous Ni–Nb–Pt–Sn alloysJournal of Non-Crystalline Solids, Volume 287, Issues 1-3, July 2001, Pages 432-436A.R Pierna, M Sistiaga, C Navascués and A Lorenzo

[5] Influence of glass diaphragms and anionic membranes in the electrochemical oxidation of aromatic aqueous solutionsElectrochimica Acta, Volume 46, Issues 2-3, 1 November 2000, Pages 315-322A. 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 solutionsSurface Science, Volume 410, Issues 2-3, 1 August 1998, Pages 312-320M. Sistiaga, A. Cuesta, A. R. Pierna and C. Gutiérrez

[7] Electrooxidation of phenol on amorphous Ni–40Nb–(1−x)Pt–xSn alloysApplied Surface Science, Volume 133, Issues 1-2, May 1998, Pages 124-128M. 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/IZO-SGIker) 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).