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Modelos multifísicos para la simulación de pilas de combustible de óxido sólido | Grupo de Fluidodinámica Numérica

Modelos multifísicos para la simulación de pilas de combustible de óxido sólido

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(María García Camprubí, Julio 2011)

En esta tesis se ha desarrollado una herramienta de fluidodinámica computacional de código libre, capaz de simular la operación multifísica a escala macroscópica de una celda de combustible de óxido sólido alimentada con hidrógeno.

Modelo matemático

Se ha desarrollado un modelo matemático que describe los fenómenos físicos que intervienen en el principio de operación de una pila de combustible de óxido sólido. Éstos son:

 1 - Conservación de la cantidad de movimiento de un gas, en canales y medios porosos.

 2 - Transporte de masa multicomponente en fase gaseosa, en canales y medios porosos, considerando convección, difusión ordinaria y difusión Knudsen.

 3 - Transferencia de calor conjugada a través de todos los componentes de la celda, debida a mecanismos de convección, conducción y radiación.

 4 - Reacción electroquímica.

 5 - Transporte de cargas.

 

Método numérico

El método numérico consta del algoritmo necesario para la solución numérica del modelo matemático. Dicho algoritmo ha sido desarrollado e implementado en OpenFOAM (version: OpenFOAM-1.5-dev). OpenFOAM (Open Field Operation and Manipulation) es una plataforma de CFD de código abierto basada en el método de volúmenes finitos. Las principales características del método numérico son:

 1 - Multidominio: el dominio numérico se divide en cinco subdominios adyacentes: (a) canal de combustible; (b) ánodo; (c) electrolito; (d) cátodo; y (e) canal de aire. Así, el método numérico considera la solución numérica del modelo matemático en cinco mallas, bien segregada bien simultáneamente.

 2 - 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: (a) asignación de campos entre subdominios adyacentes; o (b) utilizando un algoritmo acoplado para el cáculo de una matriz en diferentes mallas simultáneamente.

 3 - El algoritmo numérico puede ejecutarse en paralelo.

 

Validación y aplicación

 

La validez de la herramienta numérica se ha demostrado mediante la comparación de sus resultados numéricos con datos experimentales tomados de la bibliografía, para una pila microtubular de óxido sólido, soportada en el ánodo y alimentada con hidrógeno. Adicionalmente, la versatilidad de dicha herramienta se ha ilustrado en un análisis numérico adicional.

 

Contribución al código libre

 

Parte del código desarrollado en esta tesis, en particular las subrutinas relacionadas con el transporte de masa, se ha publicado en Computer Physics Communications Program Library (http://cpc.cs.qub.ac.uk/).

AdjuntoTamaño
thesis.pdf7.64 MB