Un estudio sobre la optimización del campo de flujo de gas guiado por CFD de una celda de combustible PEM con canales de flujo en forma de onda

El diseño del campo de flujo de gas de las celdas de combustible de membrana de intercambio de protones (PEM) es crucial para lograr un rendimiento alto y estable. Dado que el proceso de transferencia de masa del aire es mucho más difícil que el del hidrógeno, y la posible ocurrencia de inundaciones podría hacer que el rendimiento se degrade rápidamente, el flujo de gas en la placa de cátodo es especialmente importante. En el presente estudio, se realizaron simulaciones de dinámica de fluidos computacional (CFD) tridimensionales (3D) para evaluar y optimizar el rendimiento de un patrón de campo de flujo base, que se caracteriza por canales de flujo en forma de onda. El área activa es del mismo orden que la de productos comerciales. Para considerar el flujo turbulento, se utilizó el enfoque de Navier-Stokes promediado por Reynolds (RANS) acoplado con el modelo estándar k-ω. Además, se implementó una mezcla de las soluciones viscosa y de ley logarítmica para calcular la tasa de disipación específica en las mallas cerca de la pared. También se adoptó un método de control de malla flexible, refinamiento adaptativo de malla (AMR), que consiste tanto en AMR de frontera como en AMR de escala sub-malla (SGS) para acelerar las simulaciones mientras se mantiene una buena precisión. Para validar los modelos numéricos, se compararon las pérdidas de presión total calculadas a partir de simulaciones y obtenidas de datos medidos bajo diferentes condiciones de contorno. Los resultados mostraron que las simulaciones coincidían bien con los datos experimentales. Además, se investigó el efecto de los cambios en la distribución del campo de flujo y las zonas de reacción sobre la uniformidad del flujo y la pérdida de presión. Finalmente, se demostró una metodología para estimar rápidamente las pérdidas de presión con diferentes profundidades de canal. Los resultados del análisis de correlación mostraron que la caída de presión total tiene una correlación lineal obvia con el inverso del cuadrado de la profundidad del canal.