5. PROCEDIMIENTO PROCEDIMIENTO. José Javier Martínez Sánchez

Transcripción

1 5. PROCEDIMIENTO En primer lugar, se han de elegir los parámetros de diseño de la placa bipolar con los que se va a trabajar. Este proyecto está centrado en las características geométricas. Peso y tamaño dependerán de la aplicación de la pila de combustible en si y del material, y por tanto no los vamos a considerar. En cuanto a material, en la sección 3.3 se ha descrito cuales son los materiales más usados para la fabricación de placas bipolares junto con sus ventajes y desventajas. Por tanto, los parámetros elegidos para este estudio serán características geométricas de la placa. Estos son, el ancho y profundidad de los canales, el ancho de las costillas y la forma de distribución de flujo, es decir las distintas disposiciones geométricas que pueden constituir dichos canales. Para analizar la sensibilidad de los parámetros anteriores, se realizarán diferentes modelos de placas bipolares, todos ellos con diferentes propiedades geométricas. La comparación de dichos modelos usando FLUENT nos permitirá conocer que parámetros y de que forman mejoran la eficiencia de la pila. La primera consideración importante en el procedimiento de este proyecto es especificar los criterios de comparación entre las distintas configuraciones. 1. En primer lugar se considerará la pérdida de carga a lo largo de la placa. Es decir, la diferencia entre la presión a la entrada del canal y la presión de salida del canal. Una elevada pérdida de carga significa una baja eficiencia de la pila de combustible, puesto que la pérdida energética aumenta al ser necesario más potencia de bombeo. No obstante se adelanta que una mayor pérdida de carga a lo largo de los canales de una placa bipolar implica un mayor consumo de combustible. 2. Otro parámetro importante es la distribución del reactante en la superficie del electrodo. Una densidad de consumo de hidrógeno no constante, implica una -53-

2 mala distribución de hidrógeno a lo largo de la superficie de consumo e incluso la existencia de áreas estancas, haciendo disminuir la eficiencia del conjunto a no ser consumido el hidrógeno por igual en toda la superficie. 5.1 MODELADO DE LA PLACA BIPOLAR PARA SU USO EN FLUENT. El software FLUENT calcula la simulación del flujo a partir del diseño previamente mallado de una placa por dónde fluye el fluido de trabajo. También es necesario definir las condiciones de contorno del sistema. Para el diseño geométrico de los modelos se uso el software GAMBIT 2.0. Éste permite exportar directamente el diseño mayado a FLUENT. A continuación se describe en qué consiste y algunas de las características de GAMBIT GAMBIT 2.0 GAMBIT 2.0 es un pre-procesador que permite construir modelos geométricos de sistemas de flujo para su posterior uso en FLUENT. Las principales ventajas de GAMBIT son el fácil modelado de la geometría y la calidad de mallado, factores cruciales para la obtención de una correcta solución en CFD. GAMBIT es capaz de exportar la geometría y su correspondiente mallado a FLUENT La forma de trabajar con GAMBIT es a través de una interfaz sencilla que permite crear cualquier geometría. En el caso de este proyecto, se diseñarán las placas bipolares por dónde circulará nuestro fluido. Esta interfaz permite realizar operaciones boleanas a las distintas superficies o volúmenes del modelo. De esta manera se puede interceptar, cortar o unir volúmenes o superficies

3 GAMBIT puede importar geometrías desde cualquier software de CAD/CAE como por ejemplo, Parasolid, ACIS, STEP o formato IGES. La importación de CATIA V4 y Pro/ E Integration también es posible. GAMBIT posee herramientas que pueden ser usadas para reparar y preparar la geometría para un mallado de gran calidad. Es posible trabajar con geometrías complicadas como orificios, solape de superficies, particularidades del diseño muy pequeñas, esquinas puntiagudas, etc. Diferentes problemas de CFD requieren diferentes tipos de mallado, y aunque FLUENT es capaz de mallar también los modelos, GAMBIT proporciona todas las opciones y posibilidades que pueden ser requeridas por el usuario. El paquete de herramientas que GAMBIT posee, permite descomponer geometrías para mallados o realizar mallados sobre grupos. GAMBIT permite elegir la forma de la red que une los puntos, por ejemplo mallas en forma de triángulos y cuadrados para superficies y mallas tetraédricas o hexaédricas para volúmenes. También es posible crear mallados híbridos usando una distribución de tamaño automática para una captura correcta de curvas muy agudas o pequeños espacios [Fluent Inc, ]. Otra de las ventajas de GAMBIT 2.0 es la posibilidad de establecer las condiciones de contorno antes de su exportación a FLUENT. De esta forma, podemos imponer directamente la condición de contorno de una superficie o volumen. La Figura 18 muestra la interfaz de GAMBIT 2.0 en la que se puede observar la ventana gráfica dónde se dibuja el modelo y las ventanas de opciones, con todas las posibilidades descritas con anterioridad

4 Figura 18. Interfaz de GAMBIT Consideraciones previas. Para la construcción de los modelos se tomaron una serie de pautas que se enumeran a continuación: 1) El proyecto se va a centrar en el análisis de la parte anódica de la placa bipolar. Por tanto, el fluido de trabajo será hidrógeno. Esto implica que los resultados que se obtengan serán solamente válidos para la parte anódica de las placas bipolares. 2) Puesto que el proyecto está centrado en la placa bipolar, no será necesario modelar la membrana-electrodo. De hecho, la inclusión de este conjunto en el sistema, complicaría considerablemente y nos alejaría del objetivo del proyecto

5 No obstante, es imprescindible considerar el consumo de hidrógeno a lo largo de los canales para representar el funcionamiento normal de las placas bipolares. 3) Las condiciones de contorno que se establezcan, serán las mismas para todos los modelos con el fin de poder realizar una comparación adecuada. 4) Todos nuestros modelos estarán formados por canales, de diferentes anchura y profundidad, y formando varias disposiciones geométricas. 5) Se definirán una entrada a la placa y una salida de ésta, cuyas localizaciones dentro de la placa pueden ser también parámetros a considerar. 6) Para tratar el consumo de hidrógeno sin tener que modelar el conjunto membrana-electrodo, se incluirá un volumen poroso situado en el lado dónde estaría la capa difusora de gases. Este volumen poroso actuará de sumidero de hidrógeno, sin necesidad de incluir en nuestro modelo las reacciones de descomposición y consumo de éste. De esta forma, a medida que el hidrógeno avance por los canales se irá consumiendo. En el Apéndice B se explica más detalladamente en que consiste la condición de contorno medio poroso y como es tratado por FLUENT. La Figura 19 muestra un esquema del modelado de las placas bipolares según las pautas anteriores. La placa bipolar con sus canales y el volumen poroso que actúa de sumidero del hidrógeno. PLACA BIPOLAR. PARTE ANÓDICA CANALES ZONA POROSA (MEMBRANA) Figura 19. Sección transversal de un modelo de la placa bipolar

6 5.1.3 Condiciones de contorno. Antes de establecer las condiciones de contorno de nuestros modelos, será necesario establecer una serie de hipótesis y consideraciones: 1) Flujo estacionario. El estudio se supondrá dentro de un ciclo de funcionamiento continuo de la pila de combustible. Por tanto no existirá análisis transitorio del sistema. 2) Los efectos de gravedad no influyen en la actividad de las placas bipolares. 3) Flujo Laminar. Para el rango de anchuras de los canales que se usarán, el flujo a lo largo de los canales es laminar. Puede calcularse el número de Reynolds usando la fórmula: ρ U Dh Re= µ donde, ρ es la densidad del fluido, en este caso del hidrógeno, U es la velocidad media en la dirección longitudinal del canal, µ es la viscosidad dinámica del hidrógeno y D h es el diámetro hidráulico que se calcula como D h = 4wh/2(w + h), donde w y h son la anchura y profundidad del canal respectivamente [S. Maharudrayya 2004]. De esta forma, para los valores máximos de anchura y profundidad que vamos a usar y un rango típico de las velocidades con las que vamos a trabajar nos sale un número de Reynolds inferior a 2300, que es el valor por encima del cual el flujo comienza a ser de régimen turbulento. 4) No existirá agua en nuestro modelo. Esta hipótesis es cierta en la placa bipolar en el lado del ánodo cuando la temperatura del ánodo es superior a la temperatura de rocío del hidrógeno. 5) Hidrógeno en nuestra placa es ideal e incompresible. Las velocidades de operación del hidrógeno en la placa bipolar son muy bajas comparadas con la

7 velocidad del sonido. Por tanto, la hipótesis queda justificada al ser el número de Mach mucho menor que la unidad. 6) Flujo isotermo. Para las pilas de combustible tipo PEM la temperatura de operación oscila entre unos 60ºC y algo más de 100ºC [Lopez Sastre, 2004]. No obstante, el circuito refrigerador de éstas mantiene la pila a una temperatura alrededor de los 80ºC. Por tanto, debido a esto y dado el objeto de nuestro análisis, meramente geométrico la hipótesis de flujo isotermo puede ser justificada. No obstante, es importante hacer constar aquí un importante resultado expuesto en el Primer Congreso Nacional de Pilas de Combustible. Este resultado afirma que cuando la intensidad de corriente presenta valores pequeños, la temperatura es relativamente baja comparada con la temperatura a intensidades de corriente superiores. Además este cambio de temperatura se produce de forma brusca al cambiar dicha intensidad de corriente. [Pedro García Ybarra, 2004] 7) Consideraremos como fluido de trabajo H 2. No obstante en realidad el fluido de trabajo es H 2 saturado de vapor de agua. Esto hipótesis simplifica los modelos de forma considerable y en todos los estudios e investigaciones que trabajan con pilas de combustible se ha considerado. [A. Kumar, 2004] Una vez establecidas estas hipótesis las condiciones de contorno son: Consumo: En las celdas de combustible reales es posible imponer el porcentaje de combustible que se consume a partir de la cantidad introducida de éste, según la aplicación que se le vaya a dar a la pila de combustible. De esta manera, para realizar una comparación correcta entre los distintos modelos, se estudiarán cuatro casos de consumo: 100%, 75%, 50% y 25% de consumo de combustible respecto al introducido

8 En una celda de combustible se obtienen actualmente entre 0.2 y 07 A/cm 2 [David FCC, 2004]. De esta forma se impone que nuestra celda produzca 0.6 A/cm 2 en el caso de que se consuma todo el hidrógeno que es introducido. El proceso para determinar la cantidad de combustible consumida a partir de este valor de densidad de corriente es el siguiente: -Sabiendo la densidad de corriente I (A/m 2 ) que produce nuestra celda de combustible y sabiendo que el voltaje de salida de una celda de combustible es menor de 1.229V (valor calculado en el apartado de este proyecto) se puede calcular la potencia P en kw por metro cuadrado de celda: 0.6A (100) cm I = cm 1m V 1.23V = 6000A/ m 2 2 P= = 7.38kW / m 2 (a) -Actualmente una célula de combustible de alta tecnología necesita 1 Nm 3 de hidrógeno puro para producir entre 1.8 y 1.9 kw, de los cuales alrededor de 0.50 y 0.80 kw (entre un 30% y un 40%), se pierden en el proceso de funcionamiento, siendo la producción media efectiva por cada Nm 3 /h de hidrógeno de 1.30kWh. De esta forma se puede calcular la cantidad de hidrógeno que se debe consumir para obtener la densidad de corriente de 0.6 A/cm 2. 2 P= 7.38kW / m 3 1Nm / h 1.3kWh Q= 5.676Nm 3 / h m 2 (b) 7 m= Q ρ Acelda = kg / s (c) Entrada a los canales: Gas hidrógeno entrando perpendicular a la sección de entrada. Puesto que se ha impuesto que en el caso de un consumo total de

9 combustible, la celda dé 0.6 A/cm 2, se introducirán Nm 3 /h de hidrógeno, o lo que es lo mismo kg/s de dicho gas. Salida: En FLUENT existe una condición de contorno llamada outflow que se usa en flujos incompresibles cuando no se conoce a priori la velocidad ni la presión de salida. Esta opción se puede usar cuando el flujo está completamente desarrollado en la salida. [Fluent Incorporated, 1998]. Puesto que el flujo es laminar, y la longitud de canal para que el flujo esté completamente desarrollado es menor que la longitud de los canales de nuestro modelo, es posible usar esta condición de contorno. Medio poroso. El origen físico de las condiciones de contorno relacionadas con el medio poroso, se encuentran explicadas en el Apéndice B. El coeficiente de resistencia dinámica, que es la inversa de la permeabilidad del medio, es m -2. El medio poroso se trata como homogéneo, por tanto el valor anterior es el mismo para las tres direcciones

10 5.2 MODELO BASE. Una vez establecidas las condiciones de contorno que se van a imponer y las hipótesis con las que se va a trabajar es preciso definir ya una geometría. Se diseñan varias placas bipolares con el fin de poder compararlas y ver como influyen los parámetros que se han establecido al principio del capítulo en la eficacia de la pila. En orden de obtener una comparación correcta y ordenada, definimos un modelo base de la placa. A partir de éste, se construirán otros modelos variando un parámetro y manteniendo todos los demás constantes para analizar la sensibilidad de dicho parámetro. Figura 20. Representación usando el software FLUENT 6.1 del modelo base de este proyecto

11 Las características geométricas del modelo base son las siguientes: Disposición de flujo en serpentín. Superficie de consumo (canales más costillas) de 3.8x3.9 cm 2. Siendo 3.8 cm la longitud de los canales. Anchura canales de 1mm. Anchura costillas de 1mm. Profundidad de canales de 2mm. Número de canales: 20 unidades En la figura 20 se puede observar el modelo base utilizado. proporcionada por FLUENT consiste en la representación de la placa bipolar. Dicha figura,

12 5.3 RESOLUCIÓN DE LAS PLACAS USANDO FLUENT. Una vez exportado el diseño geométrico de la placa base desde GAMBIT a FLUENT, ya es posible empezar a trabajar con FLUENT. En el Apéndice A de este proyecto se muestra el procedimiento seguido en la resolución de este problema usando FLUENT de forma detallada

13 5.4 ANÁLISIS DE LA SENSIBILIDAD DE LOS PARÁMETROS DE DISEÑO DE UNA PLACA BIPOLAR. Se describe en este apartado el proceso seguido en este análisis. Partimos de una placa base cuyas características geométricas ya se han establecido. Como ya se comentó, para predecir la bondad de una placa respecto a otra, se calculará la pérdida de carga a lo largo de la placa y la distribución de reactante en la superficie de contacto de la placa con el electrodo. El procedimiento a seguir se divide en las siguientes fases Análisis de la sensibilidad de la anchura de los canales. El modelo base posee una anchura de 1mm. Se construyen 3 modelos adicionales con las mismas características geométricas del modelo base salvo la anchura. De esta manera se disponen 4 modelos con la misma forma de disposición de flujo (en serpentín), 2mm de altura de los canales, 1mm de separación entre canal y canal (anchura costillas) y eso sí, 4 anchuras diferentes, que son 0.5, 1, 1.5 y 2mm. Como se mantiene constante la superficie de consumo de la celda de combustible, el número de canales de cada placa variará respecto a la otra. De esta forma, la tabla 2 muestra las propiedades geométricas de cada placa utilizada en este análisis: Ancho canal(mm) Altura canal(mm) Ancho costilla(mm) Nº canales Área superficie activa (m 2 ) Tabla 2. Propiedades geométricas de las placas usadas en el análisis de sensibilidad de la anchura de los canales

14 Se entiende por superficie activa, la zona dónde existe contacto entre el combustible y la superficie del electrodo. Así, aunque la superficie de consumo sea la misma para las cuatro placas, al ser diferentes las anchuras de los canales, el área de la superficie activa varía de un modelo a otro. Si en nuestras placas se hubiera considerado el modelado de las capas difusoras de gases, la superficie activa de las placas podría haberse considerado constante, pues esta capa ayuda a distribuir el combustible por toda la superficie de consumo. En las celdas de combustible reales, es posible elegir un porcentaje de consumo de combustible respecto al que se introduce. Por tanto este estudio, se realizará para cuatro casos distintos de consumo: 1) Caso de consumo total. Es decir, se impondrá que la superficie de la placa en contacto con el electrodo consuma todo el H 2 introducido. Por tanto no existirá hidrogeno a la salida. 2) Caso 75% de consumo. Frente a un 25% de combustible que saldrá por la salida del canal. 3) Caso 50% de consumo. En este caso se consume la misma cantidad que sale. 4) Caso 25% de consumo. Frente a un 75% de combustible que saldrá por la salida del canal. En conclusión, el análisis de la sensibilidad de la anchura de los canales de las placas bipolares se realizará a partir de los cuatros modelos descritos y para esos cuatro casos de consumo. Los resultados obtenidos en dicho análisis se encuentran en el capítulo siguiente Análisis de la profundidad de los canales. Los canales de la placa base poseen una altura de 2mm. El proceso para realizar este análisis consiste en diseñar modelos cuyos canales tengan la misma anchura que los de la placa base. La anchura de las costillas y la forma en serpentín de la disposición de flujo, tampoco varían respecto al modelo base. Así, el único parámetro a variar, es la

15 altura de los canales. En este caso, y contando el modelo base, se disponen de 5 placas diferentes: De 0.5, 1, 1.5, 2 y 2.5 mm de profundidad. Para todos los modelos el número de canales será el mismo, esto es, 20 canales. La superficie activa de las placas obviamente también será la misma para los cinco modelos. La tabla 3 muestra las características geométricas de las cinco placas bipolares usadas en el análisis de la profundidad de los canales. Altura Ancho Ancho Nº canales Área superficie canal (mm) canal(mm) costilla(mm) activa (m 2 ) Tabla 3. Propiedades geométricas de las placas usadas en el análisis de sensibilidad de la altura de los canales. Al igual que en el apartado anterior el estudio de la sensibilidad de la altura de los canales se hará para los cuatro casos de consumo de combustible, 100%, 75%, 50% y 25% de consumo de combustible en la superficie sobre el electrodo. Los resultados obtenidos en pérdida de carga y distribución de reactante sobre la superficie de consumo pueden observarse en el capítulo siguiente Análisis de la disposición geométrica del flujo. Nuestra placa base posee una disposición de flujo en serpentín. Se trata en este apartado de compararla con otras disposiciones de flujo pero que guarden las mismas dimensiones, es decir, con la misma anchura y profundidad de canales e idéntica separación entre estos. Así, se calcula la pérdida de carga y distribución de reactante en la superficie del ánodo para las siguientes disposiciones de flujo incluida la de la placa base (disposición en serpentín):

16 Disposición geométrica de flujo paralelo. En la figura 21 se observa la placa bipolar con disposición geométrica de los canales en paralelo que se va a utilizar para la realización del análisis de sensibilidad. En ella se puede apreciar que consta de 20 canales paralelos más dos adicionales para la distribución del flujo a estos 20. Las dimensiones se mantienen respecto al modelo base. En el siguiente capítulo se establecen los resultados de comparación de esta disposición con las otras cuatro configuraciones geométricas de flujo. Figura 21. Modelo de placa bipolar con disposición de flujo en paralelo utilizado en este proyecto. Disposición geométrica tipo pin. Como se explicó en el capítulo 3 de este proyecto, este tipo de disposiciones de flujo se caracteriza geométricamente por varios bloques colocados de manera regular a lo largo

17 de la placa formando normalmente canales de flujo cruzado. En la figura 22 se ha representado la placa modelo utilizada en este estudio. Las dimensiones de esta placa son las mismas que las usadas en la placa base, así los canales que forman los bloques tienen una anchura de 1mm y una profundidad de 2mm. Los pines tienen 1mm de ancho y 2mm de altura. Los resultados obtenidos para este tipo de disposición de flujo se encuentran en el capítulo siguiente. Figura 22. Modelo de placa bipolar con disposición de flujo tipo pin utilizado en este proyecto. Disposición geométrica con varias zonas en serpentín. Este tipo de configuración geométrica se diseñaba, según se explica en el capítulo 3, para evitar las elevadas pérdidas de carga encontradas en las placas con disposiciones de

18 flujo en serpentín. A igual superficie de contacto con el electrodo presentan una longitud de los canales menor alcanzándose de esta forma menores pérdidas de carga. Figura 23. Modelo de placa bipolar con varias zonas de disposición de flujo en serpentín Como se puede observar en la figura 23, el modelo diseñado para este tipo de configuración geométrica consta de 4 zonas de serpentín. La placa posee un total de 40 canales, cada uno de ellos con una anchura de 1mm, una separación entre éstos de 1mm y una altura de 2 mm