Resumen de Multiphysics models for the simulation of solid oxide fuel cells

María Montserrat García Camprubí

• En este trabajo, se ha desarrollado una herramienta de fluidodinámica computacional para la simulación de la operación estacionaria de una pila de combustible de óxido sólido (SOFC), alimentada con hidrógeno. Para ello, se ha desarrollado un completo modelo matemático que describe la naturaleza multifásica de la pila, y el correspondiente algoritmo numérico para su resolución. La validez de la herramienta ha sido comprobada, comparando sus resutados numéricos con datos experimentales de la literatura. Finalmente, la versatilidad de la herramienta se ha ilustrado con un estudio numérico adicional.

  A continuación se destacan las características que distinguen al modelo matemático, desarrollado en esta tesis, de otros previamente publicados en la literatura. Éstas son:

  1.- En los canales, se utiliza un modelo de difusión que verifica la consistencia de los flujos difusivos. De este modo, la ecuación de conservación de las especies en los canales se resuelve para todas las especies presentes en el fluido, evitando la imposición artificial de la consistencia de los flujos difusivos.

  2.- La transferencia de masa global en los electrodos se modela con el modelo de dusty-gas desarrollado por Mason y Malinauskas. Este modelo se considera el más adecuado para describir el transporte de masa global en los electrodos de una SOFC, y tiene en cuenta todos los posibles mecanismos de transferencia de masa, a diferencia de lo que se hace en la mayoría de los modelos publicados, donde se suele despreciar el flujo viscoso.

  3.- En este trabajo se presenta un tratamiento novel de las ecuaciones del dusty-gas, que permite su fácil implementación y resolución.

  4.- La transferencia de calor dentro del sistema se aborda mediante la ecuación de la conservación de la entalpía sensible, correctamente expresada en términos de temperatura considerando la dependencia de la temperatura de las variable termodinámicas.

  5.- Todos los mecanismos de transferencia de calor han sido considerados en este modelo, incluyendo la radiación.

  El método numérico consta del algoritmo necesario para la solución numérica del modelo matemático. Dicho algoritmo ha sido desarrollado e implementado en OpenFOAM, por la autora de esta Tesis. OpenFOAM es una plataforma de CFD, de código abierto, basada en el método de volúmenes finitos.

  Las principales características del método numérico son:

  A.- Multidominio: el dominio numérico se divide en cinco subdominios adyacentes, para facilitar la solución del modelo adecuado en cada uno de los componentes de la SOFC, a saber: (1) canal de combustible; (2) ánodo; (3) electrolito; (4) cátodo; y (5) canal de aire. Esto implica que la solución numérica se calcula, bien segregada bien simultáneamente, en cinco mallas.

  B.- La solución del modelo matemático en cinco subdominios numéricos diferentes requiere de un algoritmo adicional para el intercambio de información entre subdominios adyacentes. El acomplamiento de dichos subdominios se realiza de dos maneras: (1) asignación de campos entre subdominios adyacentes; o (2) utilizando un algoritmo acoplado para el cáculo de una matriz en diferentes mallas simultáneamente.

  C.- El algoritmo numérico puede ejecutarse en paralelo.

  Nótese, que parte de este algoritmo, en particular las subrutinas relacionadas con el transporte de especies en canales y electrodos, ha sido incluido en una librería de código abierto para la transferencia de masa, que será publicada próximamente.

  La validez de la herramienta numérica se ha demostrado mediante la comparación de los resultados experimentales de la bibliografía con los resultados numéricos correspondientes. Posteriormente, la versatilidad de dicha herramienta se ha ilustrado en un adicional análisis numérico. Las principales conclusiones de este análisis se resumen a continuación:

  1) La transferencia de masa de ambos reactivos y productos, dentro de los electrodos SOFC, está dominada por una difusión eficaz y se ve obstaculizada por el contraflujo de las otras especies. Para el reactivo aparece una resistencia adicional a la transferencia de masa, debido a un flujo causado por el gradiente de presión; mientras que la evacuación de productos se beneficia de este efecto del gradiente de presión.

  2) La transferencia de masa por convección puede representar una parte no despreciable del transporte de masa global dentro de los electrodos de una SOFC. La magnitud del flujo del DGM, originado por el gradiente de presión suele ser menor que aquella del flujo convectivo. Sin embargo, la contribución de ninguno de ellos es despreciable en las condiciones deseables de operación de una pila de combustible de óxido sólido.

  3)Las corrientes de reactivos pueden refrigerar la zona activa de la celda, deteriorando su funcionamiento, si su temperatura no logra ascender hasta la temperatura de operación antes de llegar a las zonas de reacción.

  4)La radiación pared-pared juega un papel relevante en la transferencia de calor global del sistema.

  La herramienta numérica presentada en esta Tesis, aunque completa para la simulación de pilas SOFC alimentadas con H2 , puede ser completada en el futuro para cubrir otros aspectos de este tipo de pilas. Posibles líneas de actuación serían:

  A) Ampliar la gama de combustibles. Modelar las reacciones de sustitución que tienen lugar dentro del ánodo cuando se alimentan hidrocarburos a la pila.

  B) Simulación del stack. Modificar el algoritmo numérico para simular sistemas configurados por varias unidades repetitivas, ie stack.

  C) Modelo electroquímico submalla. Desarrollo de un modelo detallado para la cinética química de las reacciones redox, utilizando otro método numérico como lattice-Boltzmann, de tal manera que los resultados de este modelo se pudieran introducir al modelo presentado en este trabajo.