Distribución de presión en canales de flujo de placas bipolares
Una vez fabricado el conjunto de electrodo de membrana (MEA), se debe integrar en una pila de pila de combustible. La pila tiene múltiples funciones, incluida la distribución uniforme de combustible y oxidante a las celdas, la recolección de corriente para alimentar los dispositivos deseados y la distribución o descarte uniformemente de productos de calor y agua. La selección de las placas bipolares apropiadas puede ser un desafío porque el material más conductor y químicamente inerte debe equilibrarse con el más fácil de fabricar y con el diseño óptimo de distribución de combustible y agua.
En un canal de flujo típico, el gas se mueve de un extremo al otro a una cierta velocidad llamada velocidad media. La presión entre la entrada y la salida cambia principalmente debido a la cantidad de fricción que el fluido encuentra con las paredes del canal. Esta diferencia de presión entre la entrada y la salida del canal impulsa el flujo de fluido. Para aumentar la velocidad del fluido, se puede aumentar la caída de presión entre la salida y la entrada. Sin embargo, esto también aumenta la caída de presión, lo que significa que puede haber una diferencia de presión significativa en diferentes puntos a lo largo del canal de combustible. Esto es importante porque significa que el combustible se distribuye a presiones variables a las capas MEA a lo largo de la superficie de la celda.
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El flujo a través de los canales del campo de flujo puede ser laminar o turbulento. En el flujo laminar, las capas de fluido se deslizan unas sobre otras de forma ordenada. La velocidad del fluido es máxima en el centro del canal y cero en la pared. Esto es lento pero fluido. El flujo turbulento es un líquido que se mueve más rápido donde la velocidad es más uniforme a lo largo de la sección transversal del canal. Es fundamental conocer el tipo de flujo porque cambia la forma en que se estima la caída de presión en el canal. El tipo de flujo de líquido o gas se puede determinar utilizando un importante número adimensional conocido como número de Reynolds. Este número es la relación entre las fuerzas de inercia y las fuerzas viscosas y viene dado por:
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donde vm es la velocidad característica del flujo (m/s), Dch es el diámetro del canal de flujo o longitud característica (m), ρ es la densidad del fluido (kg/m3), µ es la viscosidad del fluido (kg/(m* s o N* s/m2), y ν es la viscosidad cinemática (m2/s). Cuando Re es pequeño (< 2000), el flujo es laminar. Cuando Re > 4000, el flujo es turbulento, lo que significa que tiene fluctuaciones aleatorias. Cuando Re está entre 2000 y 4000, se sabe que está en el rango «de transición», donde el flujo es principalmente laminar, con ráfagas ocasionales de comportamiento errático. Se descubre que, independientemente del tamaño del canal o la velocidad del flujo, f * Re = 16 para canales circulares. La ecuación 1 se puede utilizar para canales circulares.
Para canales rectangulares, para calcular el número de Reynolds efectivo:
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donde Dh es igual a 4 * (área de sección transversal)/perímetro.
El flujo a través de canales de placas bipolares suele ser laminar y proporcional al caudal. La caída de presión se puede aproximar utilizando las ecuaciones para flujo incompresible en tuberías. En muchos tipos de pilas de combustible, los campos de flujo suelen estar dispuestos como muchos canales de flujo paralelos; por lo tanto, la caída de presión a lo largo de un canal es también la caída de presión en todo el campo de flujo.
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donde f es el factor de fricción, Lchan es la longitud del canal, m, DH es el diámetro hidráulico, m, ρ es la densidad del fluido, kg/m3, v es la velocidad promedio, m/s y KL es la resistencia local.
El diámetro hidráulico se puede definir por:
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donde Ac es el área de la sección transversal y Pcs es el perímetro. Para el campo de flujo rectangular típico, el diámetro hidráulico se puede definir como:
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donde wc es el ancho del canal y dc es la profundidad.
La longitud del canal se puede definir como:
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donde Acell es el área activa de la celda, Nch es el número de canales paralelos, wc es el ancho del canal, my wL es el espacio entre canales, m.
El factor de fricción se puede definir como:
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La velocidad en la entrada de la pila de combustible es:
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donde v es la velocidad en el canal (m/s), Qstack es el caudal de aire en la entrada de la chimenea, m3/s, Ncell es el número de celdas en la pila, Nch es el número de canales paralelos en cada celda, y Ach es el área de la sección transversal del canal.
En una celda de combustible PEM, el caudal total en la entrada de la chimenea es:
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donde Q es el caudal volumétrico (m3/s), I es la corriente de chimenea, F es la constante de Faraday, SO2 es la relación estequiométrica de oxígeno, rO2 es el contenido de oxígeno en el aire, R es la constante universal de los gases, Estaño es la temperatura de entrada de la pila, Pin es la presión en la entrada de la pila, Φ es la humedad relativa, Psat es la presión de saturación a la temperatura de entrada dada y Ncell es el número de celdas en la pila.
Combinando las ecuaciones anteriores, la velocidad en la entrada de la chimenea es:
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El perfil de velocidad tiene forma parabólica y el gradiente de presión es constante en toda la región una vez que el fluido ingresa a la región completamente desarrollada. El perfil de velocidad y el gradiente de presión son independientes de las condiciones de entrada. La ecuación de Hagen-Poiseuille da el caudal para flujo laminar en una tubería circular:
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donde r es el radio de la tubería, l es la longitud, Δp es la diferencia de presión aplicada y µ es la viscosidad del fluido.
El caudal en la salida de la chimenea suele ser diferente al de la entrada. Si se supone que el flujo de salida está saturado con vapor de agua, el caudal es:
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donde ΔP es la caída de presión en la chimenea.
La viscosidad de un líquido o gas es una propiedad que mide el estado de ser espeso, pegajoso y de consistencia semifluida, debido a la fricción interna. Cada gas y líquido tiene una viscosidad específica y la variación de la viscosidad varía con la temperatura. Para gases diluidos, la dependencia de la viscosidad con la temperatura se puede estimar utilizando una ley de potencia simple:
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donde μ0 es la viscosidad a la temperatura T0. En estas ecuaciones, n, μ0 y T0 se pueden obtener a partir de experimentos o calcularse mediante la teoría cinética.
Las corrientes de gas de pilas de combustible rara vez se componen de una sola especie. Generalmente se trata de mezclas de gases, como el oxígeno y el nitrógeno del aire. La siguiente expresión proporciona una estimación razonable de la viscosidad de una mezcla de gases:
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donde Φij es un número adimensional obtenido de:
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donde N es el número total de especies en la mezcla, xi y xj son las fracciones molares de las especies i y j, y Mi y Mj son el peso molecular (kg/mol) de las especies i y j.
Al utilizar este conjunto de ecuaciones, se hacen algunas suposiciones que causarán una ligera desviación de los valores reales.
• Los canales suelen ser lisos en un lado de la “tubería”, pero el lado GDL tiene una superficie rugosa.
• El gas no sólo fluye a través de los canales, sino que también reacciona con el catalizador.
• Es posible que la temperatura no sea uniforme a través de los canales.
• Hay muchas curvas o giros que se deben tener en cuenta en los canales.
La complejidad del diseño del campo de flujo determina la forma en que se debe calcular la caída de presión.
Conclusión
El diseño del campo de flujo es importante para garantizar una distribución uniforme de los reactivos y productos en toda la celda. El diseño del campo de flujo y el material de la placa bipolar que se seleccione deben permitir un flujo uniforme y uniforme de los reactivos y productos y facilitar la producción en masa del tipo de pila de combustible. Las dimensiones de los canales deben seleccionarse cuidadosamente para garantizar un flujo uniforme y una caída de presión mínima. La caída de presión y el caudal se pueden calcular utilizando ecuaciones similares para el flujo de fluido en tuberías, como se muestra en esta publicación de blog.
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