Transferencia de calor, canales de enfriamiento y pilas de combustible PEM

Unos científicos han llevado a cabo una investigación para comprender mejor el enfriamiento de pilas de combustible de membrana electrolítica polimérica (PEM) y la relación con los gradientes de temperatura en la membrana.

El estudio es obra de un grupo de investigación del Departamento de Ingeniería Energética de la Universidad de Sevilla en España y colaboradores de AICIA en España y el Instituto Tecnológico de Harbin en China.

La investigación se basó en el análisis numérico de la transferencia de calor para canales de enfriamiento tipo serpentín en una celda de combustible PEM, evaluando la influencia de las condiciones de operación para establecer una nueva correlación para el rendimiento de la transferencia de calor, es decir, el número de Nusselt. Los resultados determinaron que el flujo másico de refrigerante y la conductividad térmica de la placa bipolar presentaron un mayor efecto sobre la capacidad de refrigeración de una pila PEMFC.

La refrigeración de las pilas desempeña un papel importante en el diseño de las pilas PEMFC porque un enfriamiento adecuado ayuda a mitigar los riesgos causados ​​por un gradiente de temperatura excesivo que provoca la degradación y los efectos perjudiciales sobre la integridad de la membrana. En consecuencia, la refrigeración de las pilas ejerce un papel clave en la eficiencia y durabilidad de una pila PEM.

El equipo de investigación, que incluyó a Laura González-Morán de AICIA y a Christian Suárez de la Universidad de Sevilla, estudió la capacidad de refrigeración del stack PEM.

El análisis se hizo mediante simulaciones de Dinámica de Fluidos Computacional (CFD) en una celda de área activa de 100 centímetros cuadrados con canales de enfriamiento tipo serpentín, variando el tipo de refrigerante, el caudal másico, la resistencia térmica de contacto, el material de la placa bipolar y el diseño de los canales de refrigeración. Se propuso una nueva correlación de transferencia de calor con validez para una amplia gama de condiciones operativas.

Distribución de temperaturas en la membrana, para un flujo de masa refrigerante bajo, medio y alto en el caso de dos diseños diferentes de canales de enfriamiento. (Imagen: Universidad de Sevilla)

El principal resultado de esta investigación (una nueva correlación para el número de Nusselt para pilas de pilas de combustible PEM que pueden usarse para una amplia gama de condiciones operativas) facilitará el diseño del sistema de refrigeración en una pila PEM, contribuyendo así al diseño de apilamientos con mayor durabilidad y rendimiento.

El estudio se titula “A numerical study on heat transfer for serpentine-type cooling channels in a PEM fuel cell stack”. Y se ha publicado en la revista académica Energy. (Fuente: Universidad de Sevilla)