Ingeniería Química. Baterías y Pilas de Combustible

Segundo semestre (4,5 créditos)

Impartida por Juan Manuel Paz García.

La optimización de reactores químicos, equipos de filtración, mezcladores y otros procesos relacionados se efectúa fácilmente con el Módulo de Ingeniería de Reacciones Químicas de COMSOL Multiphysics. Este módulo es útil para ingenieros y científicos que podrían trabajar, por ejemplo, en industrias químicas, de procesos, de energía eléctrica, farmacéuticas, de polímeros y de alimentos, etc.

El Módulo de Ingeniería de Reacciones Químicas contiene herramientas para simular el transporte de materia y la transferencia de calor junto con una cinética química arbitraria en todo tipo de entornos: gases, líquidos, medios porosos, en superficies y dentro de fases sólidas, o combinaciones de todos ellos.  Proporciona interfaces físicas para definir el transporte de material en soluciones o mezclas diluidas y concentradas a través de convección, difusión y electromigración iónica de un número arbitrario de especies químicas. La interfaz física para definir las reacciones químicas es sencilla, ya que las fórmulas y ecuaciones químicas se escriben esencialmente tal y como las escribiríamos en papel. Las interfaces físicas de flujo acoplado también están disponibles para lograr una descripción completa de los fenómenos de transporte en procesos de ingeniería química. Esto incluye flujos laminar y en medios porosos, descritos por la ecuación de Navier-Stokes, la Ley de Darcy y las ecuaciones de Brinkman. Junto con los Módulos de CFD y de transferencia de calor, también podemos incorporar flujos turbulentos, multifásicos y no isotérmicos, así como transferencia de calor por radiación.

Directamente relacionado con el anterior, el Módulo de Baterías y Pilas de Combustible simula el comportamiento electroquímico subyacente en los electrodos y electrolitos de baterías y pilas de combustible. Nos permite investigar el rendimiento de estos dispositivos bajo diferentes condiciones de operación y configuraciones de diseño. Los ejemplos de sistemas que pueden estudiarse incluyen baterías de plomo-ácido, baterías de ión litio, baterías de hidruro de níquel-metal, celdas de combustible de óxido sólido (SOFC), celdas de combustible de metanol directo (DMFC) y celdas de combustible de membrana de intercambio de protones (PEMFC). Podremos diseñar y optimizar las geometrías, las opciones de material de los electrodos, separadores, membranas, electrolitos y elementos de corriente del sistema con respecto al rendimiento, la gestión térmica y la seguridad.

Comenzaremos estudiando los conceptos fundamentales y las interfaces físicas de ingeniería química, y los implementaremos en simulaciones utilizando las herramientas específicas disponibles en el Módulo de Ingeniería de Reaciones Químicas de COMSOL Multiphysics. A continuación, repasaremos los conceptos básicos de Electroquímica, junto con sus interfaces físícas y las dedicadas específicamente a baterías y pilas de combustible, al transporte de especies químicas y a los acoplamientos multifísicos.

    • Modelado en ingeniería de reacciones químicas.
    • Interfaz de Ingeniería de Reacciones.
    • Interfaz de Química.
    • Acoplamientos multifísicos de ingeniería de reacciones.
    • Propiedades termodinámicas.
    • Fundamentos teóricos y modelos termodinámicos.
    • Introducción a la electroquímica.
    • Interfaces de electroquímica. Interfaces de batería.
    • Interfaces especializadas de Transporte de especies químicas.
    • Acoplamientos multifísicos de electroquímica.

Imagen obtenida utilizando el software COMSOL Multiphysics® y cedida por cortesía de COMSOL. Image made using the COMSOL Multiphysics® software and is provided courtesy of COMSOL.

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