Introducción
COMSOL Multiphysics ofrece una plataforma dinámica para modelar celdas de combustible proporcionando un conjunto versátil de herramientas y capacidades. Permite simulaciones exhaustivas, lo que permite a investigadores e ingenieros analizar diversos aspectos del rendimiento de las celdas de combustible. Desde comprender reacciones electroquímicas hasta estudiar el flujo de fluidos y transferencia de calor dentro de las celdas, COMSOL facilita investigaciones detalladas. Su enfoque de múltiples físicas permite la consideración simultánea de varios fenómenos físicos, brindando conocimientos sobre interacciones complejas dentro de las celdas de combustible.
Celdas de combustible de óxido sólido
Como ejemplo, revisamos el artículo escrito por Iliya K. Iliev et al. 2023 [1] con su trabajo titulado Numerical Simulation of Processes in an Electrochemical Cell Using COMSOL Multiphysics. Su estudio tiene como objetivo crear un modelo para Celdas de Combustible de Óxido Sólido (SOFC) que funcionen con combustible basado en carbono. Este modelo integral considera el calentamiento electroquímico, el flujo de fluidos no isotérmicos y múltiples fenómenos físicos como transporte de electrones y iones, difusión de gases, reacciones electroquímicas y transferencia de calor. Ofrece información sobre la concentración de reactantes, temperatura, distribución de corriente y cálculos de potencia de salida.
Los autores informan que las celdas alimentadas con hidrógeno superaron a las alimentadas con combustible basado en carbono, generando 1340 W/m2 a 0.25 A/cm2 en comparación con 1200 W/m2 para el metano a la misma densidad. El gas de síntesis alcanzó 1340 W/m2 a 0.3 A/cm2. Se observaron perfiles de temperatura distintos y cambios en la concentración de reactantes entre las celdas alimentadas con hidrógeno y carbono. El modelo se alineó estrechamente con la característica voltio-amperio de un prototipo industrial, mostrando una desviación menor al 5% en la mayoría de los rangos. Aunque es un paso significativo, los estudios futuros tienen como objetivo refinar suposiciones, incorporar geometría multicanales y considerar la radiación térmica para simulaciones más precisas, mejorando aún más el modelado de SOFC.
En la figura de la cabecera se muestra la fracción molar de O2 y H2 para un voltaje de 0.5 V. La imagen se obtuvo del modelo de la librería de aplicaciones de COMSOL: "Current Density Distribution in a Solid Oxide Fuel Cell, Application ID: 514", y que se estudia en el artículo citado en [1].
Comentarios finales
Las conclusiones de este estudio tienen una relevancia significativa en el campo de las Celdas de Combustible de Óxido Sólido (SOFC). Presentan un modelo integral, construido con COMSOL Multiphysics 6.1, que simula con precisión los procesos físicos complejos dentro de una SOFC. Al incorporar varios factores como el transporte de electrones y iones, la difusión de gases y las reacciones electroquímicas, este modelo sirve como una herramienta valiosa para comprender el comportamiento de las SOFC. La comparación del rendimiento de las SOFC cuando se alimentan con diferentes fuentes (hidrógeno, metano y gas de síntesis) brinda información crucial. Notablemente, los hallazgos ilustran salidas de potencia y distribuciones de temperatura variables entre diferentes tipos de combustible. Las reducciones de temperatura demostradas debido a reacciones endotérmicas en combustibles carbonáceos, en contraste con el hidrógeno, destacan la capacidad del modelo para simular comportamientos matizados.
Referencias
[1] Iliev, I.K.; Gizzatullin, A.R.; Filimonova, A.A.; Chichirova, N.D.; Beloev, I.H. Numerical Simulation of Processes in an Electrochemical Cell Using COMSOL Multiphysics. Energies 2023, 16, 7265. https:// doi.org/10.3390/en16217265