RESULTS

Este bloque del modelo es el más importante y el que concentra todos los cálculos relacionados a la operación de la pila de combustible. Identificado con el número 2 en la figura 3.1, y de forma específica en la figura I.2, el bloque posee unas ciertas condiciones para su uso. En la tabla I.1 se exponen la serie de parámetros necesarios por el modelo, los cuales se pueden obtener de la ficha técnica de la pila del fabricante o de un estudio de investigación, con una pequeña explicación de a que parte de la teoría de las PEMFC hacen referencia.

Además de estos parámetros de entrada, el modelo cuenta con una serie de opciones para imponer unas condiciones de operación. La condición de operación necesaria por el modelo es la corriente que se le exige a la pila, la cual viene dada por la potencia necesaria por el motor eléctrico y el voltaje del mismo. Se le pueden exigir otras condiciones de operación a la pila, como variaciones en la composición del combustible, oxidante, flujos de reactantes, temperatura, entre otros, lo cual se puede apreciar en la figura I.3. Este proyecto se trabajó con las señales de entrada del flujo de combustible y la corriente necesaria por el motor eléctrico que viene de la sección de la carga eléctrica.

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Tabla I.1. Parámetros de entrada necesarios en el modelo de la pila de combustible.

Parámetro Explicación

Voltaje a 0 A (Voltaje a circuito abierto) y a 1 A.

Voltajes necesarios para aproximar el comportamiento de la pila a muy baja corriente, cuyas pérdidas de voltaje vienen dadas por las pérdidas por activación.

Punto de operación nominal. Corriente (A) y Voltaje (V).

Punto de operación nominal de la pila. Necesario para representar la curva de polarización, de manera que contenga tal punto.

Punto de operación máximo. Corriente (A) y Voltaje (V).

Punto de operación donde las pérdidas por concentración empiezan a ser apreciables. Se supone que la pila no opera en esa región, por lo que se coloca este punto de operación como el máximo.

Número de celdas de la pila.

El número de celdas de combustible que tiene la pila. Necesario para los cálculos de potencial total de la pila, cálculos de flujos de reactantes necesarios, entre otros parámetros.

Eficiencia nominal de la pila. (%)

La eficiencia de la pila en su punto de operación nominal. Temperatura de operación

(ºC)

La temperatura constante a la cual se encuentra operando la pila. Se puede tomar como la temperatura a la cual sale el refrigerante de la misma. Útil para el cálculo del voltaje reversible de la pila, para los flujos volumétricos de gases, flujos entálpicos de gases, entre otros.

Flujo de aire nominal de la pila (lpm)

Imprescindible para que el modelo calcule el los flujos de aire necesario en puntos de operación diferente al nominal, ya que la cantidad de aire que se alimenta es mayor de lo que necesitaría la reacción de la pila. Presión de alimentación

nominal a la pila. Combustible y aire (bar).

Ambas presiones se utilizan para el cálculo de los flujos molares de los gases que actúan en la pila, el voltaje reversible, las pérdidas por activación, entre otros parámetros.

Composición nominal de los reactantes. % de hidrógeno, oxígeno y agua en el aire.

Obligatoria para el cálculo del uso de reactantes en la pila.

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Figura I.3. Señales de entrada disponibles en el bloque.

I.1.2.1 Funcionamiento del bloque de la pila de combustible.

En la figura I.4 se puede ver el diagrama de bloques del modelo del bloque detallado. Básicamente toma los datos de entrada de flujos, presiones, temperatura, composición del combustible y composición del oxidante. Con estos datos es capaz de calcular la utilización del hidrógeno y del oxígeno en un punto de operación concreto. Con ello se calcula el voltaje ideal o reversible bajo la ecuación de Nernst (véase sección 2.2.1.4) determinando las presiones parciales de los gases presentes en la reacción con las ratios de utilización de los mismos. De ahí las pérdidas por activación a través de la ecuación de Butler-Volmer (sección 2.2.1.7) utilizando ecuaciones para aproximar los valores de la pendiente de Tafel y la corriente de intercambio (i0, que es la densidad de

corriente de intercambio solo que, multiplicada por el área de la celda). En cuanto a las pérdidas óhmicas se refiere, se aproxima el valor de la resistencia óhmica total de la pila con una relación entre el punto de operación de la pila en condiciones nominales con el punto de operación a una corriente de 1 A. Por último, se procede a calcular el voltaje real de la pila sustrayendo del voltaje de Nernst las respectivas pérdidas.

Con las ratios de utilización de los reactantes se calculan los flujos de las especies en la pila bajo la relación de flujos de una pila de combustible, presentada en la sección 2.2.2.10. Las ecuaciones utilizadas para aproximar cada parámetro se encuentran desarrolladas en el trabajo de investigación de S. N. M., O. Tremblay y L. Dessaint [31], las cuales se basan en la teoría expuesta en el marco teórico de este trabajo.

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Figura I.4. Estructura en bloques del modelo de la pila de combustible [31].