Diseño y modelado matemático de una microcelda de combustible líquido

Abstract

"Las microceldas de combustible líquido aprovechan la naturaleza del flujo laminar para mantener separados a los reactantes, análogamente a como lo hace la membrana de intercambio protónico en una celda de combustible de hidrógeno convencional. El no uso de dicha membrana hace que las microceldas de combustible líquido sean dispositivos muy atractivos para la generación de energía limpia debido principalmente a su bajo costo y su rápida cinética electroquímica. Sin embargo, debido a su relativa recién invención, las microceldas de combustible líquido aún se encuentran en la etapa experimental. En el presente trabajo de tesis se estudia el comportamiento y operación de una microcelda de combustible líquido utilizando análisis de elemento finito. Se evalúa el rendimiento de la microcelda al modificar distintas variables del sistema como lo son: i) el ángulo entre los brazos de inyección de los fluidos, ii) la distancia entre los electrodos, iii) el área de las superficies catalíticas, iv) el área de contacto entre los reactantes, v) el desplazamiento de la interfaz líquido-líquido. Con base en el análisis de la forma en cómo afectan dichas variables en el rendimiento de la microcelda se hace una propuesta de dos nuevos y mejores diseños. Se realiza una comparativa de las capacidades de entrega de energía y aprovechamiento de combustible del diseño típico de microcelda con respecto a los nuevos diseños propuestos. Finalmente, se propone un modelo dinámico de estructura ((ARX sin retardos)) que describe la dinámica de la microcelda de combustible líquido con fines de control. Particularmente se realizó un modelado entrada-salida del sistema, considerando como salida la ((densidad de corriente promedio en el cátodo)) y el ((aprovechamiento de combustible)). Como entradas del sistema fueron consideradas la ((velocidad de entrada del combustible)) y la ((velocidad de entrada del oxígeno))."

"The microfluidic fuel cells (MFC) take advantage of the nature of the laminar flow to keep two reactant flows separated, analogously as the proton exchange membrane does in the conventional hydrogen fuel cells. Since MFC do not use membrane these cells results very attractive to generate clean energy at low cost and with fast electrochemical kinetics. However, due to its relative new invention, the microfluidic fuel cells are yet in its experimental stage. In this work, behavior and operation of a microfluidic fuel cell are studied using finite element analysis. The performance of the microfluidic fuel cell is evaluated when several critical system variables are modified. Those variables are: i) the angle between the injection arms of the fluids, ii) the distance between the electrodes, iii) the catalytic surfaces areas, iv) the contact area between the reactants, v) the liquid-liquid interface displacement. After understanding how those variables affect the microfluidic fuel cell performance, two new and better designs are proposed. A comparison between the different design is performed using variables as energy delivery and fuel use. Finally, a dynamic model is proposed using an ((ARX without delays)) strategy. Particularly two input-output models are proposed, using as output the ((cathode average current density)) and the ((fuel use)) and as inputs the ((fuel inlet velocity)) and the ((oxygen inlet velocity)). This thesis is a very first attempt to describe the dynamic behavior of a MFC that can be used for control purposes."