Hidrogenia

Diseño de campo de flujo

En las pilas de combustible, las placas del campo de flujo están diseñadas para proporcionar una cantidad adecuada de reactivos (hidrógeno y oxígeno) a la capa de difusión de gas (GDL) y a la superficie del catalizador, minimizando al mismo tiempo la caída de presión. Las configuraciones de canales más populares para las celdas de combustible PEM son flujo serpentino, paralelo e interdigitado. Algunas pilas de combustible a pequeña escala no utilizan un campo de flujo para distribuir el hidrógeno y el aire, sino que dependen de procesos de difusión del medio ambiente. Dado que la reacción del hidrógeno no limita la velocidad y puede ocurrir un bloqueo de agua en el ánodo humidificado, generalmente se usa una disposición en serpentina para el ánodo en celdas de combustible PEM más pequeñas.
El diseño del campo de flujo serpentino se muestra en la Figura 1. Su trayectoria de flujo es continua de principio a fin y es relativamente eficiente para proporcionar distribución de flujo a través de la superficie del electrodo de la celda de combustible. Este diseño puede causar pérdida de presión debido al recorrido de flujo relativamente largo. Para operaciones de alta densidad de corriente, placas grandes o cuando se utiliza aire como oxidante, se utilizan diseños alternativos basados ​​en el diseño serpentino. Una ventaja del camino de flujo serpentino es que cualquier obstrucción en el camino no bloqueará toda la actividad aguas abajo de la obstrucción. Una desventaja del flujo serpentino es el hecho de que el reactivo se agota a lo largo del canal, por lo que se debe proporcionar una cantidad adecuada de gas. Cuando se utiliza aire como oxidante, pueden surgir problemas con la distribución del flujo de gas del cátodo y la gestión del agua de la celda. Cuando la celda de combustible funciona durante períodos prolongados, el agua se acumula en el cátodo y se requiere presión para sacar el agua de los canales.
Figura 1: Diseño de un campo de flujo serpentino
La Figura 2 muestra el diseño del canal de flujo serpentino múltiple. En este diseño, se utilizan varios canales de flujo continuo para limitar la caída de presión y reducir la cantidad de energía necesaria para presurizar el aire a través de un único canal serpentino. Este diseño evita la formación de áreas estancadas en la superficie del cátodo debido a la acumulación de agua. La caída de presión del reactivo a través de los canales es menor que en el canal serpentino, pero aún es alta debido al largo recorrido del flujo de cada canal serpentino.
Figura 2: Diseño de canales de flujo serpenteantes múltiples
En la configuración de diseño del campo de flujo paralelo (ver Figura 3), los canales de flujo requieren menos flujo másico por canal y proporcionan una distribución de gas más uniforme con una caída de presión reducida. Si se utiliza aire como oxidante, pueden producirse voltajes de celda bajos e inestables después de períodos prolongados de funcionamiento debido a la acumulación de agua y la distribución de combustible catódico. Cuando la pila de combustible funciona de forma continua, el agua se acumula en los canales de flujo. La desventaja de la configuración de flujo paralelo es que una obstrucción en un canal da como resultado una redistribución del flujo entre los canales restantes y, por lo tanto, una zona muerta aguas abajo del bloqueo. La cantidad de agua en cada canal puede variar, lo que provoca una distribución desigual del gas. Otro problema de este diseño es que los canales son cortos y tienen pocos cambios de dirección. Por lo tanto, la caída de presión en los canales es baja, pero es posible que sea necesario que la caída de presión en el colector de distribución de la chimenea sea mayor. Las primeras celdas cerca de la entrada del colector a menudo tienen un caudal mayor que las celdas hacia el final del colector.
Figura 3: Diseño de un campo de flujo paralelo
El flujo de reactivo para el diseño de campo de flujo interdigitado es paralelo a la superficie del electrodo. A menudo, los canales de flujo no son continuos desde la entrada de la placa hasta la salida de la placa. Los canales de flujo tienen un final sin salida, lo que obliga al flujo de reactivo, bajo presión, a atravesar la capa de reactivo poroso para llegar a los canales de flujo conectados al colector de la chimenea. Este diseño puede eliminar el agua de forma eficaz de la estructura del electrodo, lo que evita inundaciones y mejora el rendimiento. El campo de flujo interdigitado promueve la convección forzada, lo que ayuda a evitar inundaciones y limitaciones en la difusión de gas. Este diseño a veces supera al diseño de campo de flujo convencional, especialmente en el lado del cátodo de la pila de combustible. El diseño interdigitado se muestra en la Figura 4.
Figura 4: Diseño de campo de flujo interdigitado
Forma, dimensiones y espaciado del canal
Los canales de flujo de fluido suelen ser rectangulares, pero se han demostrado otras formas como trapezoidal, triangular y circular. El cambio en la forma del canal puede influir en la acumulación de agua en la celda y, por tanto, en los caudales de combustible y oxidante. En los canales de flujo redondeados, el agua condensada forma una película en el fondo del canal, y en otras formas de canales, el agua forma pequeñas gotas. La forma y el tamaño de las gotas de agua están determinados por la hidrofobicidad e hidrofilicidad de los medios porosos y las paredes del canal. Las dimensiones de los canales suelen ser de alrededor de 1 mm, pero existe un amplio rango para pilas de combustible de micro a gran escala (0,1 mm a 3 mm). Las simulaciones han encontrado que las dimensiones óptimas de los canales para macropilas de pilas de combustible (no pilas de combustible MEM) son 1,5, 1,5 y 0,5 mm para la profundidad, el ancho y el ancho del terreno (espacio entre canales) del canal, respectivamente. Estas dimensiones dependen del diseño total de la pila y del tamaño de la pila. Las dimensiones de los canales afectan los caudales de combustible y oxidante, la caída de presión, la generación de calor y agua y la energía generada en la pila de combustible. Los canales más anchos permiten un mayor contacto del combustible con la capa de catalizador, tienen menos caída de presión y permiten una eliminación de agua más eficiente. Sin embargo, si los canales son demasiado anchos, no habrá suficiente soporte para la capa MEA. Si el espacio entre los canales de flujo también es amplio, esto reduce el área expuesta a los reactivos y promueve la acumulación de agua.

 

Pensamientos concluyentes
Las placas del campo de flujo tienen múltiples funciones y están diseñadas para transportar gases y líquidos hacia y desde los sitios del catalizador. Las configuraciones de canales populares incluyen el flujo serpentino, paralelo e interdigitado. Se pueden utilizar muchos diseños de campos de flujo y el diseño elegido depende del tamaño, diseño y configuración de la chimenea.
Publicado por la Dra. Colleen Spiegel
La Dra. Colleen Spiegel es consultora en redacción técnica y modelos matemáticos (presidenta de SEMSCIO) y profesora con un doctorado. y una maestría en Ingeniería. Tiene diecisiete años de experiencia en ingeniería, estadística, ciencia de datos, investigación y redacción técnica para muchas empresas como consultora, empleada y propietaria de un negocio independiente. Es autora de «Diseño y construcción de pilas de combustible» (McGraw-Hill, 2007) y «Modelado y simulación de pilas de combustible PEM utilizando MATLAB» (Elsevier Science, 2008). Anteriormente fue propietaria de Clean Fuel Cell Energy, LLC, que era una organización de pilas de combustible que prestaba servicios a científicos, ingenieros y profesores de todo el mundo.