Introducción y objetivos

Ante la creciente necesidad de soluciones energéticas sostenibles, las celdas de combustible de Membrana de Intercambio Protónico de Alta Temperatura (HT-PEM) destacan como alternativas prometedoras por su capacidad de operar hasta 200 °C, lo que mejora la gestión del agua y reduce problemas de envenenamiento por monóxido de carbono.

El estudio titulado “Exploring the sustainability of serpentine flow-field fuel cell, straight channel PEM fuel cells hight temperature through numerical analysis” publicado en la revista internacional “Energy Nexus” de la editorial Elsevier tiene como objetivo analizar celdas HT-PEM COMSOL Multiphysics® para evaluar los perfiles de concentración, densidades de corriente y curvas de polarización. Se busca optimizar parámetros críticos como las velocidades de entrada de hidrógeno y aire, así como la conductividad protónica de la membrana.

Modelización y simulación

El trabajo se basa en un modelo tridimensional (Figura 1), y un estudio en estado estacionario desarrollado en COMSOL Multiphysics®. Para simular el sistema, Comsol Multiphysics®, junto con su módulo de Fuel Cells, actúa como una potente herramienta computacional para resolver sistemas de ecuaciones diferenciales parciales mediante el método de elementos finitos. Específicamente diseñado para la modelización de celdas de combustible (FC), el módulo Electrochemistry se encarga de la física de Secondary Current Distribution. Esta física permite representar las corrientes electroquímicas basadas en la ley de Ohm, facilitando la obtención de las distribuciones de potencial en el electrolito.

Figura 1. Pila de combustible HT-PEM modelizada.

El programa incorpora la ecuación de Butler-Volmer y la ecuación de Tafel durante la ejecución, lo que permite la generación de curvas de polarización y la visualización de la distribución de densidad de corriente a lo largo de la membrana.

Para el análisis del transporte de masa dentro de la celda, el módulo Chemical Species Transport maneja la física de Reacting Flow in Porous Media, centrándose específicamente en el Transport of Concentrated Species. Este enfoque se aplica dos veces para abordar el transporte de masa tanto en el compartimento de gas del ánodo como en el del cátodo. Dada la composición gaseosa distinta en cada lado, con hidrógeno y agua en el ánodo, y oxígeno, agua y nitrógeno en el cátodo, esta aplicación doble resulta esencial. La ecuación de Maxwell-Stefan se emplea para resolver el transporte de especies gaseosas dentro de la capa de difusión de gas y la capa catalizadora.

Además, la integración de las ecuaciones de Navier-Stokes y Brinkman en esta física permite modelar las capas porosas de difusión de gas (GDLs) y los electrodos. Los perfiles de concentración para el ánodo y el cátodo se obtienen a través de esta configuración física integral, lo que asegura un análisis detallado de los fenómenos de transporte electroquímico y de masa en la celda de combustible PEM de alta temperatura.

Resultados y conclusiones

Como se muestra en la Figura 2. Los resultados muestran una notable concordancia entre los datos experimentales y los valores simulados de la curva de polarización. La Figura 3 muestra la fracción molar de hidrógeno y oxígeno cuando se utilizan canales de flujo recto y a una temperatura de operación de 180ºC.

Este estudio destaca el potencial de la herramienta COMSOL Multiphysics® demostró para visualizar y cuantificar fenómenos complejos en dispositivos electroquímicos y clave en el diseño y optimización de pilas de combustible de tecnología HT-PEM.

Figura 2. (a) Curva de polarización: comparativa entre datos experimentales y resultados de simulación numérica en COMSOL Multiphysics®. (b)

Figura 3. Distribución de las fracciones molares de hidrógeno y oxígeno con canales de flujo recto a 180 °C.

Referencias

[1] Babay et al. Exploring the sustainability of serpentine flow-field fuel cell, straight channel PEM fuel cells hight temperature through numerical analysis. Energy Nexus, 2024, 14, 100283.