El papel del agua en las pilas de combustible PEM

Las pilas de combustible de membrana de intercambio de protones (PEMFC), que convierten directamente el combustible en energía eléctrica a través de una membrana de electrolito sólido, se han convertido en los últimos años en uno de los dispositivos más prometedores para la generación de energía eléctrica a partir de hidrógeno. Un equipo de investigadores del Departamento de Ingeniería Energética de la Universidad de Sevilla junto con AICIA (Asociación para la Investigación y la Cooperación Industrial de Andalucía) realizaron simulaciones CFD tridimensionales para analizar el papel del agua en el rendimiento de una PEMFC de canal recto bajo diferentes temperaturas de operación. El estudio tuvo como objetivo obtener más información sobre las interacciones complejas y estrechamente acopladas que tienen lugar dentro de la celda de combustible, relacionando la generación y el transporte de agua con las distribuciones locales de temperatura y con el rendimiento de la celda, con especial énfasis en las características debajo de las costillas de la placa bipolar y debajo del canal.

Un análisis de sensibilidad ha revelado que cuanto mayor es la temperatura de funcionamiento, mejor es el rendimiento eléctrico de la PEMFC, para el rango de temperaturas de funcionamiento en el estudio (70–90 ºC), siempre que la humedad relativa de los reactivos se mantenga alta. Aunque el dispositivo funciona a altas densidades de corriente (j = 2,25 y 2,57 A/cm²), la mejora de la difusividad del agua y el arrastre electro-osmótico dieron como resultado una mejora de la conductividad iónica.

El estudio de los promedios transversales (ver IMAGEN) concluyeron que los efectos de la evaporación no son tan importantes como para disminuir el rendimiento de la PEMFC en tales condiciones de operación, a pesar de la disminución de la saturación de agua y los niveles de hidratación de la membrana. Por otro lado, los gráficos de perfil de temperatura en forma adimensional han mostrado algunas similitudes que podrían ser de interés para la caracterización o diseño de PEMFC a través de expresiones analíticas o leyes de escala. En cuanto al comburente, se ha observado que las distribuciones del consumo de oxígeno son muy similares entre todas las temperaturas de funcionamiento, encontrándose los valores más altos bajo canal y los más bajos bajo costilla, con una clara disminución de la concentración de oxígeno con el aumento de la intensidad demandada.

Aunque se abordó un estudio de sensibilidad exhaustivo, los investigadores afirmaron que el análisis de una sola variable con independencia del resto en una PEMFC no siempre es posible dada la naturaleza diversa y el acoplamiento de los procesos involucrados.

Esta publicación ha sido posible gracias a las ayudas: Subvención PY20 RE 315 026 AICIA financiada por S.G. de Universidades, Investigación y Tecnología, PAIDI 2020 programa 316 de la Junta de Andalucía, cofinanciada con fondos FEDER. Subvención PID2019–104441RBI00 financiada por 317 MCIN/AEI/10.13039/501100011033, cofinanciada con fondos FEDER.

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