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Multi-scale computational fluid dynamics modelling and optimisation of the state-of-the-art solid oxide fuel cells

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Modelización multifísica de celdas de combustible

Las celdas de combustible de óxido sólido (SOFC) han captado una atención creciente por su alta eficiencia de conversión energética y su menor impacto ambiental. Algunas limitaciones de la tecnología se podrían resolver utilizando un enfoque de modelización desarrollado por científicos de la Unión Europea.

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Las celdas de combustible convierten energía química directamente en energía eléctrica mediante una reacción electroquímica, un proceso más eficiente que los que utilizan los dispositivos de generación eléctrica convencionales. La Universidad Técnica de Dinamarca trabaja en el desarrollo de SOFC que consisten en láminas delgadas de cerámicas avanzadas (y, en algunos tipos, también metales). El trabajo de investigación y desarrollo realizado va desde la investigación fundamental sobre los materiales y sus propiedades estructurales hasta la fabricación de celdas completas. El proyecto Marie Curie CFDSOFC (Multi-scale computational fluid dynamics modelling and optimisation of the state-of-the-art solid oxide fuel cells), financiado por la Unión Europea, pretendía investigar su rendimiento electroquímico en detalle. El trabajo de los miembros del proyecto se canalizó hacia las cuestiones técnicas a las que se enfrenta la comercialización de la tecnología. Se formuló un modelo 3D con el fin de conocer mejor el funcionamiento de las SOFC sobre la base de una descripción detallada de su geometría. Las reacciones electroquímicas y los fenómenos de transporte se describieron utilizando los llamados «términos de fuente» de las ecuaciones que controlan el calor, la masa, el momento y el transporte iónico y electrónico. Estas ecuaciones de conservación se resolvieron con un software multifísica aplicando condiciones de contorno adecuadas. En particular, se utilizó el software de modelización COMSOL para resolver las ecuaciones en 3D utilizando la dinámica computacional de fluidos para la transferencia de calor y módulos de electroquímica. El modelo CDFSOFC se contrastó con mediciones experimentales de las propiedades microestructurales que son importantes para la vida útil de las celdas. El paso siguiente fue derivar los parámetros de casos de referencia seleccionados y obtener el diseño óptimo de las SOFC. La Universidad Técnica de Dinamarca tiene una larga tradición de colaboración estrecha con instituciones de investigación de todo el mundo. Después de finalizar el proyecto CFDSOFC, el receptor del programa Marie Curie regresó a la Universidad de Bolu en Turquía y se espera que la cooperación continúe en futuros programas de investigación.

Palabras clave

Modelización, celdas de combustible de óxido sólido, reacción electroquímica, dinámica computacional de fluidos, transporte de electrones

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