Introducción

Las pilas de combustible de óxido sólido (solid oxide fuel cell, SOFC) alimentadas con hidrógeno son una solución prometedora para la generación de energía limpia. Su capacidad para convertir hidrógeno en electricidad de manera eficiente y con bajo impacto ambiental las posiciona como una tecnología ideal para sistemas energéticos sostenibles. El artículo titulado “On the validation and applicability of multiphysics models for hydrogen SOFC” [1], publicado en la revista Journal of Power Sources de la editorial Elsevier, presenta una investigación desarrollada por B. Díaz y sus colaboradores en la que se utiliza COMSOL Multiphysics® para modelizar esta tecnología de pila de combustible, enfocándose en el transporte de masa y en la incertidumbre de parámetros clave como la conductividad iónica y la densidad de corriente de intercambio.

Modelado/Simulación

La Figura 1(a) muestra un esquema conceptual de la pila de combustible SOFC, que opera a 850ºC, que se ha modelizado y la Figura 1(b) muestra la geometría cilíndrica en tres dimensiones creada en COMSOL Multiphysics. Los autores utilizaron la malla que se muestra en la Figura 1(c), con el objetivo de conseguir un equilibro entre coste computacional y precisión en los resultados obtenidos a partir de las simulaciones numéricas. El acoplamiento entre las distintas físicas que intervienen en el modelo se muestra en la Figura 2. En el estudio se implementaron dos modelos para estudiar el transporte de masa: Maxwell–Stefan y la ley de Fick.

Figura 1. Pila de combustible SOFC modelizada en COMSOL Multiphysics®. (a) Sección transversal (figura descriptiva, las dimensiones no se corresponden con las del modelo). (b) Geometría 3D creada. (c) Mallado.

Figura 2. Diagrama conceptual del acoplamiento de las distintas físicas que incluidas en la modelización.

Resultados/Conclusiones

De acuerdo con los resultados obtenidos, el modelo de Maxwell–Stefan para el transporte de masa es más robusto frente a la incertidumbre de los parámetros, y presentó una dependencia logarítmica de la conductividad iónica. Sin embargo, requiere un mayor coste computacional frente al modelo basado en la ley de Fick, que es más simple.

Este estudio, pone de manifiesto el potencial de COMSOL Multiphysics® como herramienta para el estudio de problemas con físicas complejas acopladas como los que se presentan en dispositivos electroquímicos y tecnologías de hidrógeno. Además, resulta un programa excelente para comparar distintos modelos para estudiar fenómenos como la transferencia de masa y evaluar la sensibilidad con respecto a parámetros con una influencia clave en los resultados de las simulaciones numéricas.

Referencias

[1] B. Díaz, D. Celentano, P. Molina, M. Sancy, L. Troncoso, M. Walczak. On the validation and applicability of multiphysics models for hydrogen SOFC. Journal of Power Sources (2024), 607, 234493