Análisis y optimización de una celda de combustible de membrana de intercambio protónico; Analysis and optimization of a proton exchange membrane fuel cell using modeling techniques

En el presente trabajo se realizo la modelacion tridimensional y estacionaria de una celda de combustible de intercambio protonico empleando tecnicas de modelacion de dinamica de fluidos computacional, especificamente el software ANSYS FLUENT 14.5. El modelo fue comparado con datos experimentales y con resultados de otro modelo. Se analizaron los parametros de operacion del dispositivo presion y temperatura, sentido de los flujos, porosidad de los electrodos, humidificacion de los gases y concentracion de oxigeno. Se optimizo el diseno de la celda teniendo en cuenta las dimensiones de los canales y el espesor de la membrana. Se analizo el rendimiento de la celda funcionando con la membrana SPEEK (por sus siglas en ingles). Para realizar este estudio fue necesario modificar la expresion que describe la conductividad ionica. Se encontro que el rendimiento del dispositivo tiene gran sensibilidad a la variacion de los parametros termodinamicos y la composicion de los gases. This paper proposes a three-dimensional, non-isothermal and steady-state model of Proton Exchange Membrane Fuel Cell using Computational Fluid Dynamic techniques, specifically ANSYS FLUENT 14.5. It's considered multicomponent diffusion and two-phasic flow. The model was compared with experimental published data and with another model. The operation parameters: reactants pressure and temperature, gases flow direction, gas diffusion layer and catalyst layer porosity, reactants humidification and oxygen concentration are analyzed. The model allows the fuel cell design optimization taking in consideration the channels dimensions, the channels length and the membrane thickness. Furthermore, fuel cell performance is analyzed working with SPEEK membrane, an alternative electrolyte to Nafion. In order to carry on membrane material study, it’s necessary to modify the expression that describes the electrolyte ionic conductivity. It’s found that the device performance has got a great sensibility to pressure, temperature, reactant humidification and oxygen concentration variations.