Gestión del calor de la pila de combustible
La creación de pilas de combustible de alta eficiencia requiere un control de temperatura adecuado y una gestión del calor para garantizar que el sistema de pilas de combustible funcione de forma constante. Dependiendo del tipo de pila de combustible, la temperatura óptima puede oscilar entre la temperatura ambiente y los 1.000 ºC, y cualquier desviación del rango de temperatura diseñado puede dar como resultado una reducción de la eficiencia. Temperaturas más altas también significan una cinética más rápida y una ganancia de voltaje que en general excede la pérdida de voltaje debido a la relación termodinámica negativa entre el voltaje del circuito abierto y la temperatura. Temperaturas más bajas significan tiempos de calentamiento más cortos para el sistema y menores tensiones termomecánicas. La corrosión y otros procesos dependientes del tiempo y la temperatura se retardan y se requiere mucha menos agua para la saturación de los gases de entrada. En el caso de las PEMFC, una temperatura de funcionamiento más alta significa que se vaporiza más agua del producto; por lo tanto, más calor residual pasa al calor latente de vaporización y queda menos agua líquida para ser expulsada de la celda de combustible.
Transferencia de calor
La temperatura en una pila de combustible no es homogénea, incluso cuando hay un caudal másico constante en los conductos. Esto se debe a la transferencia de calor y, para ciertos tipos de pilas de combustible, a un cambio de fase de los reactivos o productos. Para predecir con precisión los parámetros dependientes de la temperatura, así como las velocidades de reacción y el transporte de especies, es necesario determinar con precisión la temperatura y la distribución del calor. La transferencia de calor por convección ocurre entre la superficie sólida y las corrientes de gas, y la transferencia de calor por conducción ocurre en las estructuras sólidas y/o porosas. Los reactivos, los productos y la electricidad generada son los componentes básicos a considerar al modelar la transferencia de calor básica en una celda de combustible, como se muestra en la Figura 1.
Figura 1: Ilustración de pila para estudio de flujo de calor
Existen muchos programas sofisticados para ayudar a determinar la distribución del calor en la pila de pilas de combustible. Si no tiene acceso a uno de estos programas, aún se pueden obtener muchos conocimientos sobre la distribución del calor utilizando balances de energía simples y ecuaciones y análisis tradicionales de transferencia de calor. El primer paso en cualquier análisis simple es completar los balances de energía. El balance energético total alrededor de la pila de combustible se basa en la potencia producida, las reacciones de la pila de combustible y la pérdida de calor que se produce en la pila de combustible. El balance energético varía para cada tipo de pila de combustible debido a las diferentes reacciones que ocurren en las diferentes pilas de combustible. El balance de energía general establece que la entalpía de los reactivos que entran a la celda es igual a la entalpía de los productos que salen de la celda más la suma del calor generado, la potencia producida y la tasa de pérdida de calor hacia el entorno.
Balance energético general de la pila de combustible
El balance energético de la pila de combustible es la suma de todas las entradas de energía y la suma de todas las salidas de energía:
Las entradas son las entalpías del combustible, el oxidante y el vapor de agua presentes. Las salidas son la energía eléctrica producida, las entalpías de los flujos que salen de la pila de combustible y el calor que sale de la pila de combustible a través del refrigerante, la convección o la radiación.
La entalpía (J/s) para cada gas seco o mezcla de gases secos es
donde m es el caudal másico del gas o mezcla (g/s), Cp es el calor específico (J/[g*K]) y T es la temperatura en ºC.
Si el gas tiene un alto poder calorífico (combustible), su entalpía es entonces:
donde hHHV0 es el poder calorífico superior de ese gas (J/g) a 0 ºC. Los valores caloríficos normalmente se informan a 25 C, por lo tanto, es posible que sea necesario calcular el poder calorífico más alto a la temperatura elegida. La entalpía del vapor de agua es
La entalpía del agua líquida es
Las entradas y salidas del balance de energía pueden complicarse rápidamente cuando se realiza el balance de calor para cada capa de celda de combustible y/o se trata de calentamiento y enfriamiento de la pila.
Generación de calor y flujo en las capas de pilas de combustible
El calor generado por la reacción electroquímica en la capa de catalizador anódico puede venir dado por:
dónde
denota la entalpía de la reacción anódica y
es la energía libre de Gibbs anódica.
Conducción de calor
Un gradiente de temperatura dentro de una sustancia homogénea da como resultado una transferencia de energía a través del medio. La tasa de transferencia de calor en la dirección x a través de un área de sección transversal finita, A, es
donde k es la conductividad térmica, W/(m*k). Cada material de la pila de pilas de combustible tiene diferentes niveles de conductividad térmica.
Disipación de calor mediante convección natural y radiación
La chimenea también pierde calor a través de la convección natural y la radiación debido al entorno. Para pilas pequeñas o pilas de una sola celda, el área de superficie es grande y la disipación de calor es mayor que la generación de calor.
Enfriamiento de celdas de combustible
El enfriamiento se puede lograr a través de varios medios. Por el contrario, la refrigeración pasiva de la pila de combustible se puede conseguir mediante aletas de refrigeración y disipadores de calor. La pila de combustible también se puede acoplar a subsistemas que absorban calor, como recalentadores de turbinas y contenedores de hidruro metálico. En el caso de los PEMFC, la evaporación de parte del agua producida en el cátodo absorbe algo de calor, mientras que se puede utilizar enfriamiento activo con aire o refrigerantes líquidos para transferir calor a los radiadores. 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. Las pilas de combustible portátiles deben mantener la temperatura correcta a pesar de los cambios de temperatura, humedad, vibración e impacto debidos al medio ambiente. Es posible que las pilas de combustible muy pequeñas y micropilas no requieran un sistema de refrigeración y, a menudo, pueden diseñarse para autoenfriarse.
Hay diseños simples de sistemas de pilas de combustible con placas de refrigeración insertadas en la pila o canales de refrigeración mecanizados en las placas bipolares. El refrigerante se enfría mediante un intercambiador de calor y se mueve a través del sistema mediante una bomba de refrigerante. Por lo general, hay termopares o sensores de temperatura en la pila que retroalimentan a un controlador de flujo que ajusta el flujo en función de la cantidad de refrigerante requerido. Existen muchos métodos y diseños de refrigeración para cada tipo de sistema de pila de combustible. Algunas de las opciones de enfriamiento de pila disponibles son:
• Enfriamiento por convección libre (flujo de aire)
• Refrigeración mediante condensador
• Enfriamiento mediante disipadores de calor
• Enfriamiento mediante placas de enfriamiento
También existen muchos otros métodos para enfriar la pila. Los métodos presentados en esta sección son los más utilizados.
Enfriamiento de pila mediante convección libre
Una de las soluciones más sencillas para enfriar una pila de pilas de combustible es mediante convección libre. Este método no requiere diseños complicados ni refrigerante y puede ser adecuado para pilas de pilas de combustible pequeñas o de baja potencia. La disipación de calor se puede lograr mediante la fabricación de aletas o mediante un diseño de campo de flujo de cátodo abierto. Este método de enfriamiento no tiene un control de temperatura adecuado porque el enfriamiento depende en gran medida de la temperatura y humedad del ambiente. También es difícil recuperar el calor residual para generar energía mediante convección libre.
Enfriamiento de pila usando un condensador
El enfriamiento del condensador permite que la pila funcione a temperaturas más altas que otros tipos de enfriamiento. Para las pilas de combustible PEM, se puede condensar agua del escape y luego reintroducirla en la chimenea. El condensador debe mantenerse a la temperatura de equilibrio del agua para que el sistema en general no gane ni pierda agua. Por lo tanto, este sistema requiere un control de temperatura preciso, como en los sistemas de placas de enfriamiento apiladas.
Enfriamiento de pilas mediante esparcidores de calor
Otra opción para enfriar una chimenea es utilizar disipadores de calor. Obviamente, el calor se puede transferir de manera más eficiente fuera de la chimenea. Los disipadores de calor pueden ayudar a transferir calor al exterior de la chimenea mediante conducción y luego el calor puede disiparse en el entorno mediante convección natural o forzada. Si se elige este método, se deben utilizar disipadores de calor de alto rendimiento.
Enfriamiento de pilas mediante placas de enfriamiento
El uso de placas de enfriamiento es una solución común para enfriar pilas de pilas de combustible. Se pueden fabricar placas de enfriamiento delgadas e insertarlas en la celda de combustible, o se pueden mecanizar canales adicionales en las placas bipolares para permitir que el aire, el agua o el refrigerante fluyan a través de los canales para eliminar el calor de la pila. El diseño general del sistema puede ser tan simple como una sola ruta de recirculación de refrigerante. Se necesita un control preciso de la temperatura para mantener con precisión la temperatura dentro de un rango seleccionado. Cuando se utilizan placas de enfriamiento en un sistema de celda de combustible PEM, se debe realizar un equilibrio simultáneo de agua y calor para evitar la deshidratación de la membrana y la inundación dentro de la pila.
Resumen
La transferencia de calor y el equilibrio energético total alrededor de la pila de combustible se basan en la energía producida, las reacciones de la pila de combustible y la pérdida de calor que se produce en una pila de combustible. El balance energético varía para cada tipo de pila de combustible debido a las diferentes reacciones que ocurren en las diferentes pilas de combustible. El balance de energía general establece que la entalpía de los reactivos que entran a la celda es igual a la entalpía de los productos que salen de la celda más la suma del calor generado, la potencia producida y la tasa de pérdida de calor hacia el entorno. Una vez calculadas las ecuaciones de balance de energía iniciales, se puede utilizar un software de modelado de transferencia de calor más sofisticado para producir con mayor precisión el flujo de calor a través de la chimenea. Estas predicciones son muy útiles al diseñar el sistema de gestión de calor para su pila de combustible.
