Figura 1. Métodos de humidificación convencionales: (a) humidificación por punto de rocío, (b) humidificación por evaporación, (c) humidificación por inyección de vapor y (d) humidificación por evaporación instantánea.
Cuando la presión total es constante, la humedad depende de la presión parcial del vapor en la mezcla. Para un sistema vapor-gas donde el vapor es el componente A y la fase fija es el componente B:
La temperatura de bulbo húmedo es la temperatura de equilibrio dinámico alcanzada por la superficie del líquido cuando la tasa de transferencia de calor a la superficie por convección es igual a la tasa de calor requerida para la evaporación lejos de la superficie. La presión parcial y la presión de vapor suelen ser pequeñas en relación con la presión total; por lo tanto, la ecuación del bulbo húmedo se puede expresar en términos de condiciones de humedad:
Un gráfico de humedad (psicrométrico) proporciona una manera de determinar las propiedades de una mezcla de gas y vapor. La Figura 2 muestra un ejemplo de un gráfico psicrométrico para una mezcla de aire y agua. Cualquier punto del gráfico representa una mezcla específica de aire y agua. Los puntos por encima y por debajo de las líneas de saturación representan una mezcla de aire saturado en función de la temperatura del aire. Las líneas curvas entre la línea de saturación y el eje de temperatura representan mezclas de aire y agua con un porcentaje de humedad específico.
Figura 2. Ejemplo de gráfico psicrométrico.
Ventiladores y sopladores
Un método comúnmente utilizado para proporcionar aire a una pila de combustible es utilizar ventiladores o sopladores. El ventilador o soplador es impulsado por un motor eléctrico, que requiere energía de la celda de combustible u otra fuente para funcionar. Uno de los ventiladores más utilizados es el ventilador axial, que resulta útil para mover aire sobre piezas, pero no es eficaz en grandes diferencias de presión. La contrapresión de este tipo de ventilador es muy baja, 0,5 cm de agua. Estos ventiladores son muy adecuados para muchos diseños de pilas de combustible PEM de hidrógeno y aire. La siguiente ecuación da la potencia real del ventilador:
La potencia ideal se puede calcular mediante:
donde cp,avg es el calor específico a la temperatura promedio de la entrada y la salida. La temperatura de salida ideal se puede calcular a partir de la ecuación:
donde V es el caudal volumétrico, ρ es la densidad del fluido, D es el diámetro de las aspas de la rueda, N es la velocidad del ventilador, ⌂P es el aumento de presión del ventilador y W es la potencia del ventilador.
Se pueden obtener diferencias de presión más sustanciales utilizando ventiladores centrífugos. Los ventiladores centrífugos tienen aire o gases que entran en dirección axial y descargan aire o gases en dirección radial. Se utilizan para hacer circular aire de refrigeración a través de pilas de combustible de tamaño pequeño y mediano. La presión creada por estos ventiladores es de 3 a 10 cm de agua.
Los sopladores también se utilizan en sistemas atmosféricos para introducir aire en la pila de combustible. Se utiliza una batería para arrancar el soplador y luego parte de la potencia de salida de la celda de combustible se usa para mantener el soplador en funcionamiento (como otros componentes de la planta). La potencia del ventilador requerida es:
donde nblower es la eficiencia del soplador.
Compresores
Los compresores se utilizan para comprimir aire, lo que permite una mayor concentración de oxígeno por volumen y tiempo y, por tanto, aumenta la eficiencia de la pila de combustible. Esto permite retrasar la caída de tensión debida al transporte de masa hasta densidades de corriente más altas. Si la presión es mayor, se puede utilizar un caudal volumétrico menor para el mismo caudal molar y la humidificación requerirá menos agua para la saturación (por mol de aire). La compresión puede ser isotérmica o adiabática. La compresión isotérmica permite el equilibrio de la temperatura con el medio ambiente, y la adiabática utiliza la compresión sin ningún intercambio de calor con el medio ambiente.
El tipo más común de compresor es el compresor centrífugo. Utiliza energía cinética para crear un aumento de presión. El compresor centrífugo puede funcionar con alta eficiencia en una amplia gama de caudales cambiando tanto el caudal como la presión. Este tipo de compresor se encuentra comúnmente en los sistemas de turbocompresor de motores. La Figura 3 muestra un ejemplo de un turbocompresor accionado por motor para pilas de combustible PEM.
Figura 3. Ejemplo de turbocompresor motorizado para pilas de combustible PEM.
La eficiencia del compresor es importante para la eficiencia general del sistema de pila de combustible. La eficiencia se encuentra utilizando la relación del trabajo real realizado para elevar la presión de P1 a P2:
