El diseño eficiente de las celdas de combustible de membrana de intercambio protónico (PEMFC) es clave para acelerar la descarbonización global. Sin embargo, evaluar físicamente cada variación geométrica resulta costoso y complejo. Para resolver esto, un reciente estudio publicado en la revista Next Research (Elsevier) [1] utilizó COMSOL Multiphysics^® para modelizar y analizar simultáneamente el impacto de la configuración del flujo y el número de canales en el rendimiento de una PEMFC de 12.8 cm, tal y como se muestra en la Figura 1.

Figura 1. (a) Esquema de la dirección del O2 y el H2 a través de los canales en la configuración de flujo en contracorriente, y (b) estructura plana de la PEMFC diseñada. (c) Canal del campo de flujo 1S con dimensiones y (d) mallado de su geometría. Diseño del campo de flujo para los canales (e) 2S y (f) 4S. (Nota: "PEMFC" se refiere a la celda de combustible de membrana de intercambio protónico, por sus siglas en inglés, y "1S, 2S, 4S" hacen referencia al número de canales en serpentín —1, 2 y 4 canales—).

Los investigadores desarrollaron un modelo tridimensional (3D) estacionario e isotérmico en monofase, utilizando el módulo especializado Hydrogen Fuel Cells. Mediante COMSOL Multiphysics®, se resolvieron de forma acoplada las ecuaciones fundamentales de conservación: la cinética electroquímica en los electrodos se rigió por la ecuación de Butler-Volmer, el transporte de momento en los canales mediante Navier-Stokes (flujo laminar), la difusión de gases multicomponente con la ecuación de Maxwell-Stefan, y la distribución de velocidades en los medios porosos (GDL y capas de catalizador) a través de la Ley de Darcy.

El software permitió evaluar tres geometrías de canales en serpentín (1, 2 y 4 canales) bajo configuraciones de flujo paralelo (coflow) y contracorriente (counterflow). Tras un riguroso estudio de optimización de malla y parámetros operativos —fijando las condiciones óptimas en 60ºC, 50% de humedad relativa y estequiometrías de ánodo/cátodo de 1.2/2.5 — COMSOL reveló datos cruciales. 

Los mapas tridimensionales como los que se muestran en la Figura 2 demostraron que la configuración de contracorriente ofrece una distribución de hidrógeno más homogénea y mitiga la caída de concentración cerca de la salida. Sorprendentemente, el canal único (1S) en contracorriente incrementó la densidad de corriente en un 13.1% y la densidad de potencia en un 1.81% a 0.7 V en comparación con el coflow. Este trabajo reafirma el papel de COMSOL Multiphysics® como una herramienta indispensable para predecir fenómenos de transporte y optimizar tecnologías limpias sin incurrir en altos costos experimentales.

Figura 2. Distribución de la fracción molar de hidrógeno en la interfaz del canal del campo de flujo del ánodo para flujo paralelo (coflow): (a) 1S, (b) 2S, (c) 4S, y para flujo en contracorriente (counter flow) con (d) 1S, (e) 2S y (f) 4S.

Referencias

[1] Chaitanya Galave, Onkar Dube, Vishal Virole, Ajay Kumar, Sudhir Husale, Rajesh Kanawade, Investigate the effect of flow configuration and the number of channels on the performance of a PEM fuel cell using COMSOL Multiphysics: A comprehensive simulation study, Next Research, Volume 8, 2026, 101625