End-plate design for a PEM fuel cell using finite element modelling
La urgencia de descarbonizar el transporte ha acelerado la búsqueda de alternativas sostenibles a los vehículos propulsados por combustibles fósiles. Entre ellas, las pilas de combustible de hidrógeno con membrana de intercambio protónico (PEMFC) destacan por su idoneidad en aplicaciones de larga di...
| Autor: | |
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| Tipo de recurso: | tesis de maestría |
| Estado: | Versión enviada para evaluación y publicación |
| Fecha de publicación: | 2025 |
| País: | España |
| Institución: | Universidad de Sevilla (US) |
| Repositorio: | idUS. Depósito de Investigación de la Universidad de Sevilla |
| OAI Identifier: | oai:idus.us.es:11441/182230 |
| Acceso en línea: | https://hdl.handle.net/11441/182230 |
| Access Level: | acceso abierto |
| Palabra clave: | PEM Combustible de hidrógeno Protones |
| Sumario: | La urgencia de descarbonizar el transporte ha acelerado la búsqueda de alternativas sostenibles a los vehículos propulsados por combustibles fósiles. Entre ellas, las pilas de combustible de hidrógeno con membrana de intercambio protónico (PEMFC) destacan por su idoneidad en aplicaciones de larga distancia, comerciales e industriales, donde la recarga rápida y la alta autonomía son factores clave. Sin embargo, la fiabilidad mecánica del stack sigue siendo un desafío fundamental que afecta tanto al rendimiento como a la vida útil del sistema. Este estudio aborda la optimización estructural de los stacks PEMFC, con especial énfasis en mejorar el comportamiento mecánico y la distribución de cargas en las placas terminales (end-plates). Se desarrolla un modelo de elementos finitos (FEM) validado para simular tensiones y deformaciones bajo condiciones realistas de operación. Se presta especial atención a la definición precisa de las interacciones de contacto dentro de la celda, especialmente entre la placa bipolar, la capa de difusión de gases (GDL) y el sello, ya que influyen directamente en la compresión del stack y la transferencia de esfuerzos. Para este análisis, se comienza con el estudio de una monocelda, donde se determina que las interfaces de contacto entre la BPP y la GDL deben permitir deslizamiento (contacto con o sin fricción), y que, en el caso del sello-GDL, el contacto debe definirse entre bordes, no entre caras. Posteriormente, se analiza un stack de 7 celdas. Un primer análisis de contactos revela que todas las celdas contribuyen a la rigidez total del conjunto, por lo que no pueden ignorarse los contactos internos. En consecuencia, todos los contactos BPP-GDL deben ser tratados como contactos no lineales. A continuación, se realiza un análisis de sensibilidad para comparar la aplicación de la precarga en los pernos mediante control de desplazamiento o de fuerza, valorando la eficiencia computacional frente a la precisión física. Se concluye que se empleará control en fuerza (aplicación directa de precarga) y se estudia qué nivel de carga es óptimo para lograr una distribución de tensiones más homogénea en el área activa de las celdas. A partir de estos resultados, se exploran varias geometrías alternativas para las placas terminales. Estos rediseños se proponen con el objetivo de mejorar aún más la uniformidad de tensiones y, en consecuencia, el rendimiento y la durabilidad del stack. El rediseño final, que incorpora un patrón de nervaduras en forma de rejilla y un aumento del espesor de la placa, logra una distribución de presión más uniforme en el área activa, mejorando significativamente el comportamiento estructural. Este trabajo propone una metodología de simulación robusta y reproducible para guiar el diseño futuro de stacks PEMFC y respaldar el avance hacia una movilidad libre de emisiones. |
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