Análisis de Rendimiento de PEMFC con Campo de Flujo 3D de Profundidad No Equidistante

Área de la Ciencia:

• Ciencia de Materiales
• Electroquímica
• Ingeniería Mecánica

Sus antecedentes:

• Las celdas de combustible de membrana de intercambio de protones (PEMFC) son cruciales para la energía limpia, pero las pérdidas de transporte de masa a altas densidades de corriente limitan el rendimiento.
• Los diseños de campo de flujo existentes a menudo se centran en estructuras 2D, dejando potencial para la optimización en diseños 3D de profundidad no equidistante.

Objetivo del estudio:

• Introducir y analizar un novedoso campo de flujo 3D de profundidad no equidistante para PEMFC.
• Investigar el impacto de la inclinación del canal y las alturas del bloque trapezoidal en el rendimiento de la celda de combustible.
• Mejorar el transporte de masa y la densidad de potencia a través de una geometría de campo de flujo optimizada.

Principales métodos:

• Fabricación de placas bipolares metálicas mediante tecnología de ablación láser rápida.
• Simulaciones numéricas para analizar la dinámica del flujo de gas, la distribución de reactivos y las métricas de rendimiento.
• Estudio paramétrico variando las inclinaciones del canal y las alturas del bloque trapezoidal.

Principales resultados:

• Se identificó un diseño óptimo con una altura de inclinación del canal de 0.3 mm y una altura de bloque trapezoidal de 0.3 mm.
• El campo de flujo 3D propuesto aumentó significativamente la velocidad del flujo en la interfaz Canal-Capa de Difusión de Gas (GDL).
• Se observó una concentración de reactivos mejorada y uniforme en la interfaz GDL-Capa Catalítica (CL).
• La densidad de potencia máxima aumentó un 39,48% hasta 1,551 W/cm².
• La gestión del agua fue eficaz, con solo un aumento del 10,79% en el contenido de agua.

Conclusiones:

• El novedoso diseño de campo de flujo 3D de profundidad no equidistante mitiga eficazmente las pérdidas de transporte de masa en PEMFC.
• Los parámetros geométricos optimizados (inclinación y altura de bloque de 0.3 mm) producen un rendimiento superior de la celda de combustible.
• Este diseño ofrece una vía prometedora para avanzar en la tecnología PEMFC a través de una ingeniería de campo de flujo mejorada.