Diseño y evaluación de platos bipolares para un prototipo de celda de combustible PEM [recurso electrónico] / Pedro Jesús Poot Cauich

Tesis (Maestría en Ciencias en Energía Renovable) .-- Centro de Investigación Científica de Yucatán, 2011.

Los componentes más importantes en una celda de combustible tipo PEM son los distribuidores de gases reactivos, que son llamados platos finales o end plates en una celda y platos bipolares cuando separan varias celdas en un stack. En la primera parte de este trabajo se presenta el diseño y evaluación de varios tipos de campos de flujo para platos bipolares. Entre los campos de flujo evaluados se encuentran los de tipo serpentín, serpentín paralelo, pin type, cascada y un nuevo diseño llamado serpentín en doble ramal que combina las ventajas de los campos de flujo tipo serpentín y de canales paralelos. El análisis de los campos de flujo se llevó a cabo mediante simulación, usando el software Ansys Fluent 12.0 que cuenta con herramientas para la evaluación del comportamiento de fluidos, transferencia de calor, transporte de masa y reacciones químicas, y que además incluye un módulo para el análisis de celdas de combustible tipo PEM. Del análisis de los campos de flujo se seleccionó, para un análisis más detallado, el campo de flujo tipo serpentín en doble ramal, que fue el que presentó la distribución más uniforme del gas y una caída de presión mucho menor al serpentín simple. En la segunda parte de este trabajo se incorporó éste campo de flujo a un modelo computacional de celda de combustible tipo PEM para comparar su comportamiento contra otro modelo computacional de celda pero con campos de flujo tipo serpentín. Estos modelos incluyeron las capas difusoras, las capas catalíticas, la membrana de intercambio de protones, los colectores de corriente y los campos de flujo. La evaluación de estas celdas de combustible incluyó el análisis de la distribución de los gases en los canales de flujo y en las capas catalíticas, así como el consumo de los gases reactivos en la celda, la caída de presión en los campos de flujo y la generación de corriente. En el análisis del comportamiento de estas celdas se observó que la velocidad en los campos de flujo en el doble ramal era aproximadamente la mitad a la correspondiente en el serpentín y la razón entre la caída de presión en el serpentín simple y el serpentín en doble ramal fue de 3.4, igual que en los resultados de la primera parte de este trabajo. El resultado de esta evaluación concluyó que la velocidad alcanzada por los gases reactivos en el campo de flujo tipo serpentín en doble ramal, no influyó en el rendimiento de la celda de combustible, ya que la generación de corriente fue prácticamente la misma, pero con una caída de presión 3.4 veces menor con respecto a la celda con campos de flujo tipo serpentín simple. Eso significa que con la misma energía con la que se logra hacer funcionar una celda de combustible que emplea serpentines simples en sus campos de flujo se podría hacer funcionar un stack de tres celdas en paralelo con serpentines en doble ramal y el potencial de éste sistema se triplicaría.