Comprender y modelar con precisión los fenómenos de transporte de masa en celdas de combustible de óxido sólido (SOFCs) soportadas por ánodo es esencial para mejorar la eficiencia y mitigar las pérdidas de rendimiento debido a la polarización de concentración. Este estudio presenta un marco de difusión multicomponente unidimensional e isotérmico basado en la formulación de Stefan-Maxwell (SM) para evaluar el transporte de hidrógeno, vapor de agua y nitrógeno en dos materiales de soporte cerámico poroso diferentes: zirconia estabilizada con cal y alúmina de magnesio (MMA). Se implementan modelos binarios y ternarios de SM para capturar las interacciones de especies bajo variaciones en las concentraciones de hidrógeno y temperaturas de operación. La formulación de SM permite el cálculo directo de la polarización de concentración, así como la distribución espacial de las especies de gas a través del grosor del soporte del ánodo. Se llevan a cabo simulaciones para dos mezclas de combustible representativas: 20% H2 (combustible enriquecido en vapor, agotado) y 50% H2 (pobre en vapor) en un rango de temperatura de 500–1000 °C y variando los grosores del electrodo. Se validan contra datos experimentales de la literatura, y se evalúa sistemáticamente la influencia del grosor del electrodo y la composición del combustible en las pérdidas de polarización. Los resultados muestran que el modelo ternario de SM proporciona una precisión superior en la predicción de sobrepotenciales, especialmente en condiciones de bajo hidrógeno donde predominan las interacciones multicomponente. MMA exhibe consistentemente menores pérdidas de polarización que CSZ debido a una mayor difusividad de gases. Este trabajo ofrece un marco validado y computacionalmente eficiente para evaluar las limitaciones del transporte de masa en soportes de ánodo porosos y proporciona perspectivas para optimizar el diseño del electrodo y las estrategias operativas, cerrando la brecha entre los modelos analíticos simplificados y las simulaciones multiphysicas a escala completa.
Patel et al. (Sun,) estudiaron esta cuestión.