Optimización de celdas de combustibles de tipo PEM aplicando algoritmo de recocido simulado

RESUMEN La pérdida de potencial es una variable crítica para tener en cuenta en el desarrollo de las celdas de combustibles de tipo PEM. Los modelos matemáticos juegan un papel importante en el diseño y desempeño de las mismas, ya que facilitan la comprensión de los diferentes parámetros involucrados en su funcionamiento, así como permiten su simulación sistemática. En este trabajo, un modelo matemático desarrollado y validado previamente es utilizado para predecir las pérdidas de potenciales de activación, óhmicas y de concentración en celdas de combustibles de tipo PEM. Además, un algoritmo de optimización combinatoria (recocido simulado) es aplicado para obtener los valores asociados a cada variable del modelo, que al ser evaluados en la función objetivo permitan maximizar el voltaje durante todo el rango de densidad de corriente evaluada con dicho algoritmo. En este caso se evaluaron: temperatura a la cual trabaja la celda, coeficiente de transferencia de carga, resistencia de los materiales, potencial teórico ideal, corriente de pérdida, corriente inicial, corriente límite, y el número de electrones que se disocian en cada molécula de hidrógeno. Como resultado, se logró maximizar el voltaje y la potencia, en comparación con las de la literatura que sirvió de referencia para el desarrollo de esta investigación. El voltaje y la potencia fueron maximizados en un 37 % y 34 % respectivamente. El algoritmo desarrollado permitió obtener una curva de polarización con valores de voltaje más altos a los reflejados en la literatura comparada, garantizando una menor pérdida de potencial, lo que conlleva a una mayor eficiencia de las celdas de combustibles de tipo PEM.

ABSTRACT Potential loss is a critical variable to consider during the development of PEM fuel cells. Mathematical models play an important role in the design and performance of this cells, since they make it easier to understand the different parameters involved in their functioning, as well as allowing for their systematic simulation. In this work, a previously developed and validated model is used to predict activation, ohmic, and concentration losses in PEM fuel cells. Additionally, a combinatorial optimization algorithm, specifically, the Simulated Annealing algorithm, is used to determine the best combination for each variable in the model, in order to minimize overpotentials. Among the parameters evaluated in this case were: operating temperature of the cell, charge transfer coefficient, resistance of materials, ideal theoretical potential, loss current, and others. As a result, it was possible to maximize the voltage and power reported in the literature, by 37% and 34% respectively. The algorithm developed made it possible to adequately adjust the parameters in order to minimize the overpotentials and guarantee a better performance for PEM fuel cells.