Temperatura de la pila de pilas de combustible en pilas de combustible de temperatura media a alta
Existe una gran necesidad de desarrollar fuentes de energía duraderas, eficientes y portátiles para seguir mejorando la tecnología en automóviles, dispositivos electrónicos comerciales y aplicaciones militares y estacionarias. Todos estos sistemas requieren que la fuente de energía sea energéticamente eficiente y capaz de funcionar durante largos períodos de tiempo sin repostar. Las pilas de combustible son conocidas por su alta densidad de energía, una variedad de fuentes de combustible y su facilidad de ampliación para requisitos específicos de la aplicación.
La homogeneidad de la temperatura en una pila de pilas de combustible es fundamental para un rendimiento óptimo. La temperatura en una pila de pilas de combustible puede no ser uniforme debido al flujo de gas, el cambio de fase del agua, la temperatura del refrigerante, el atrapamiento de agua y el calentamiento de la capa de catalizador. La membrana debe estar hidratada para una conducción iónica adecuada a través de la pila de combustible. Si la pila de combustible se calienta demasiado, el agua se evaporará y la membrana se secará, lo que perjudicará el rendimiento de la pila de combustible. Si se produce demasiada agua en el lado del cátodo, la eliminación de agua puede afectar la distribución general del calor de la celda, lo que en última instancia conduce a pérdidas de rendimiento de la celda de combustible. Los fenómenos de transporte de pilas de combustible y los cambios de fase complican la distribución de temperatura en las pilas de pilas de combustible PEM tradicionales.
La mayoría de las pilas de pilas de combustible requieren un sistema de refrigeración para mantener la homogeneidad de la temperatura en toda la pila de pilas de combustible. Cualquier desviación del rango de temperatura diseñado puede resultar en una menor eficiencia de la celda de combustible. Las temperaturas más altas significan una cinética más rápida y un aumento del voltaje. Operar a temperaturas más bajas significa una cinética más lenta y mayores pérdidas de voltaje; sin embargo, hay menos problemas de gestión del agua.
Los sistemas actuales de gestión del calor de las pilas de combustible todavía se crean utilizando sistemas de agua o refrigerante. Estos sistemas son complicados, ineficientes y costosos porque requieren un recirculador, un sistema de enfriamiento externo y placas de enfriamiento. El sistema tradicional de equilibrio de planta agrega volumen y complejidad al sistema, y agrega costos sustanciales al sistema. Los diseños de refrigeración por agua son complejos porque requieren una bomba de agua sin aceite y deben mantenerse dentro de un rango de temperatura estrecho. Si la pila de pilas de combustible se utiliza en condiciones de congelación, debe estar lo suficientemente caliente para permitir que el agua permanezca en estado líquido, lo que significa que es fundamental que se mantenga la temperatura adecuada en la pila de pilas de combustible. En la Tabla 1 se muestra una comparación de los métodos de enfriamiento comúnmente utilizados.
Tabla 1. Comparación de sistemas de refrigeración para pilas de pilas de combustible PEM
Otro método de enfriamiento comúnmente utilizado es el enfriamiento por aire. Para pilas de combustible pequeñas, el enfriamiento por convección natural es extremadamente simple: con una estructura de canal abierto en el lado del cátodo. El flujo de aire de convección forzada también se utiliza para eliminar el calor residual de la chimenea. A menudo se necesita una gran capacidad de flujo de aire o canales de gas anchos para eliminar el calor residual. En las pilas de combustible PEM, es necesario humidificar la membrana, lo que limita el flujo de aire a través de la pila porque el aire la secará. Esto complica la pila de pilas de combustible porque requerirá un sistema de refrigeración y suministro de aire reactivo independiente. La refrigeración por aire está limitada en las pilas de pilas de combustible PEM a menos de 10 kW. A partir de 10 kW se debe utilizar agua o refrigerante.
Existen ventajas y desventajas de cada tipo de celda de combustible, dependiendo del diseño de la pila, el área de superficie y el número de celdas. Con el diseño correcto, las pilas de combustible PEM de alta temperatura pueden aliviar muchos de los problemas que han afectado a las pilas de combustible PEM convencionales de baja temperatura durante décadas. Estas nuevas pilas de combustible ofrecen las siguientes ventajas técnicas sobre las pilas de combustible convencionales de baja temperatura:
• Costo reducido de la membrana: las membranas de alta temperatura disponibles comercialmente utilizan polímeros alternativos que están ampliamente disponibles y son de bajo costo, lo que permite una caída significativa en el costo de la membrana. Los altos costos de las membranas tradicionales basadas en fluoropolímeros limitan las oportunidades de reducción de costos para las PEMFC de baja temperatura.
• Eliminación de sistemas de refrigeración líquida dentro de la pila: la mayor diferencia de temperatura entre la pila de combustible y las condiciones ambientales permite un rechazo más eficiente del calor de la pila de combustible a la atmósfera, lo que reduce el área de transferencia de calor y permite el uso de refrigeración por aire a través del cátodo. canales a altos niveles de potencia. Esto reduce la complejidad del diseño de la pila de pilas de combustible porque sólo se requiere sellado de hidrógeno (las pilas de baja temperatura necesitan sellar el hidrógeno, el aire y el circuito de refrigeración). Esta simplificación puede conducir a una reducción significativa en el costo y la confiabilidad de la pila de combustible.
• Eliminación de la generación de agua líquida en los canales catódicos: Dado que el HT PEMFC opera a una temperatura superior a la temperatura de ebullición del agua, el agua generada por la pila de combustible no se acumula en el cátodo. Dado que todos los fluidos son gaseosos, esto simplifica el diseño de la pila y da como resultado una mayor confiabilidad de la pila de combustible. A diferencia de los sistemas de pila de combustible PEM de baja temperatura, el sistema de alta temperatura no requiere compresor de aire, humidificadores ni intercambiadores de calor.
• Amplio rango de temperatura de operabilidad: las celdas de combustible PEM de alta temperatura tienen buena densidad de corriente y potencia en un amplio rango de operabilidad, lo que puede ser beneficioso para una amplia gama de diseños de sistemas de bajo costo. El amplio rango de temperaturas no limita la selección de materiales y componentes solo a materiales específicos de alta temperatura, lo que permite la selección de componentes de menor costo y fácilmente disponibles.
Las temperaturas operativas más altas también introducen la necesidad de calentar y enfriar adecuadamente la chimenea para mantener la uniformidad de la temperatura de la chimenea. Si la temperatura de la pila es demasiado alta, la durabilidad de los componentes de la pila de combustible se ve comprometida y aumenta la aglomeración de las partículas de platino en los electrodos. La degradación de los materiales de ingeniería, como las placas del campo de flujo, los sellos y las juntas, se vuelve mayor y la tasa de corrosión podría aumentar. Por lo tanto, es necesario minimizar las fluctuaciones de temperatura en la pila de pilas de combustible HT PEM para cumplir con los requisitos de una comercialización e integración exitosas en varias aplicaciones de pilas de combustible.
Conclusión
La uniformidad térmica, la gestión del agua y el control de la humedad contribuyen de manera importante a la larga vida útil, la complejidad del sistema y el alto costo de los sistemas PEMFC tradicionales. Al aumentar la temperatura de funcionamiento de los PEMFC, estos problemas pueden resolverse potencialmente. El funcionamiento de la pila de combustible a alta temperatura permite una reducción en el área de transferencia de calor requerida para el rechazo del calor de la pila y brinda la oportunidad de simplificar el sistema de la pila de combustible y la pila mediante el uso de canales de aire catódicos para el rechazo del calor.
