Gestión del agua para pilas de combustible PEM
Uno de los mayores desafíos asociados con las PEMFC es el equilibrio hídrico en la pila de combustible. A medida que ocurre la reacción química en cada celda, se genera agua. Dependiendo de la carga y las condiciones de funcionamiento, existe una tendencia a que las pilas de combustible se inunden y se sequen. El contenido de agua en la membrana polimérica afecta la conductividad de los protones y afecta los sobrepotenciales de activación. Si el MEA no se humedece adecuadamente, la conductividad protónica disminuye, lo que significa que aumenta la resistencia celular.
El exceso de agua puede crear un problema en las pilas de combustible. Puede evitar la difusión de reactivos a los sitios del catalizador mediante la inundación de los electrodos, los soportes de difusión de gas o los canales de gas si la eliminación de agua es ineficiente. Para que la membrana permanezca hidratada, es necesario optimizar parámetros como la densidad de corriente, la temperatura, los caudales de reactivo, las presiones, la humidificación, el diseño de la celda y los materiales de los componentes. El agua en una pila de combustible PEM surge debido a la reacción catódica y la humidificación de los gases reactivos. La producción de agua en el cátodo depende de la densidad de corriente (la corriente consumida por la carga). La acumulación de agua en una celda de combustible se puede mitigar mediante la capa de difusión de gas, el canal de flujo o el diseño del calentador.
El agua se transporta principalmente a través de los canales de gas, pero también a través de la membrana y los electrodos. Dos procesos de transporte que ocurren en la membrana polimérica son la difusión y el arrastre electroosmótico:
1. El arrastre electroosmótico ocurre cuando los protones de hidrógeno viajan a través de la membrana polimérica desde el ánodo al cátodo y transportan moléculas de agua con ellos. El número promedio de moléculas de agua «arrastradas» por un solo protón se llama coeficiente de arrastre electroosmótico.
2. La retrodifusión ocurre cuando el gradiente de concentración en el cátodo impulsa la difusión de agua a través de la membrana.
La acumulación de agua en el cátodo se produce tanto por el arrastre electroosmótico como por la producción de agua en el cátodo. El agua en el cátodo puede transportarse al canal de flujo a través del soporte de difusión de gas, evaporarse a través de calentadores o difundirse a través de la membrana hacia el ánodo.
Figura 1: Procesos de transporte de agua en una celda de combustible PEM
El agua se puede eliminar de una celda de combustible PEM a través de las corrientes de reactivos. Los gases reactivos subsaturados recogen el agua líquida en los canales de flujo. La tasa de eliminación de agua y la proporción de agua líquida y gaseosa dependen de las condiciones operativas y del diseño de la celda. La temperatura de funcionamiento, la presión y los caudales tienen un efecto sustancial sobre el contenido de vapor de agua de los gases, la tasa de evaporación del agua y la presión de vapor. Por lo tanto, la eficiencia de la eliminación de agua depende de estos parámetros. La proporción de agua líquida y gaseosa está determinada por la temperatura de funcionamiento y la humedad de los gases reactivos de entrada.
Métodos de gestión del agua
Cuando el agua producida en el cátodo no es suficiente para mantener hidratada la membrana, es necesario el uso de gases reactivos humidificados. Esto ocurre cuando la membrana se deshidrata debido al alto requisito de densidad de corriente en el ánodo. Este fenómeno ocurre cuando el arrastre electroosmótico es más fuerte que la retrodifusión del agua, lo que resulta en un mayor flujo de agua desde el ánodo hacia el cátodo. Este problema se intensifica cuando se utilizan membranas poliméricas gruesas porque requieren más agua para permanecer hidratadas.
La humidificación del ánodo se puede controlar mediante humidificación con hidrógeno. Gestionar el equilibrio hídrico en el cátodo es difícil porque el agua se acumula debido a la reacción y al arrastre electroosmótico. Las capas de difusión de gas ayudan a eliminar el agua de los electrodos; sin embargo, el gradiente de concentración de agua puede depender de la porosidad, el espesor y la hidrofobicidad de los soportes de difusión de gas. La geometría del canal de flujo también influye en el contenido de agua en la pila de combustible. El ancho, largo, profundidad y espacio entre los campos de flujo afectan la velocidad del flujo y la tasa de difusión de los reactivos a las capas de electrodos. También determina cómo fluye el agua líquida a través de la celda.
Dependiendo de la aplicación de la pila de combustible, el uso de subsistemas de humidificador de gas puede no ser deseable debido al peso, tamaño, complejidad del sistema y potencia parásita adicionales requeridos. Además de humidificar los gases reactivos, existen varios métodos para controlar el agua en la pila de combustible:
• Humidificación directa del agua del MEA
• Membranas más delgadas para mejorar la retrodifusión del agua.
• Humidificación de membrana interna mediante partículas de catalizador incrustadas
• Mejora de las capas de difusión de gas.
Para aplicaciones pequeñas y portátiles, el diseño bipolar sin salida ayuda a prevenir la acumulación de agua. La resistencia electroosmótica y la retrodifusión del agua están equilibradas; por lo tanto, no se produce acumulación de agua en el ánodo.
La gestión del agua en el cátodo se ve afectada por la temperatura, el flujo del cátodo, la estructura del canal, el caudal de aire y el respaldo de difusión del gas. Si el oxidante utilizado en la pila de combustible es aire, se puede introducir en la pila mediante convección natural o mediante un pequeño ventilador o soplador. La convección natural es la solución más sencilla para las pilas de combustible pequeñas y portátiles. La convección forzada puede hacer que la pila de combustible sea más eficiente, pero la gestión del agua será más difícil con esta opción.
Conclusión
El equilibrio hídrico debe ser parte de la consideración de diseño de una pila de celda de combustible. El equilibrio correcto de agua puede aumentar la eficiencia y la producción de energía de la pila de combustible y mantener la longevidad de la pila de pilas de combustible. Los parámetros de diseño que se deben considerar para un equilibrio hídrico adecuado incluyen las dimensiones generales de la chimenea, los requisitos de energía nominal, el diseño del campo de flujo, la porosidad e hidrofobicidad del GDL, los niveles de humidificación, el espesor de la membrana y cualquier componente externo de la planta.
