Diseño de sistema de pila de combustible
Los diseños de sistemas de pilas de combustible varían desde muy simples hasta muy complejos, dependiendo de la aplicación de la pila de combustible y de la eficiencia deseada del sistema. Un sistema de pila de combustible puede ser muy eficiente con sólo la pila de pila de combustible y algunos otros componentes del equilibrio de la planta o puede requerir muchos componentes externos para optimizar el rendimiento de la pila de combustible. El catalizador de la pila de combustible, las membranas y las placas del campo de flujo son áreas muy importantes para la mejora de la pila de combustible, pero la optimización de la pila es igualmente importante. Esta publicación se centra en la selección y diseño de los subsistemas eléctricos y de combustible.
Figura 1: Sistema de pila de combustible PEM simple
La siguiente es una breve descripción de los componentes del sistema de pila de combustible que se muestran en la Figura 1:
• Flujo de aire oxidante: El aire oxidante se filtra en busca de partículas a medida que se bombea desde la atmósfera a la celda de combustible. El transductor de presión de aire realiza un seguimiento de la presión del aire que ingresa a la celda de combustible. El aire oxidante se filtra nuevamente en busca de partículas y luego se humidifica antes de ingresar a la pila de combustible.
• Flujo de Hidrógeno: El hidrógeno puro se almacena en un cilindro de gas comprimido. Puede haber una o más válvulas de retención antes de que el hidrógeno ingrese al sistema. Un controlador de flujo másico también sería beneficioso para monitorear el caudal.
• Salida de agua e hidrógeno: El hidrógeno sale de la pila de combustible pasando por un filtro de partículas. El transductor de presión registra la presión de esta corriente antes de ser purgada. El agua se purga a través de un respiradero externo de agua de producto.
Los sistemas de pilas de combustible pueden volverse complejos fácilmente cuando la pila es grande y la temperatura, la presión, el agua y el calor se controlan y/o requieren unidades de procesamiento de combustible. En la Figura 1 solo se incluyen unos pocos sensores y transductores de presión. Un sistema de control completamente desarrollado constará de termopares, transductores de presión, sensores de metanol/hidrógeno y controladores de flujo másico, que medirán y controlarán los datos utilizando un programa de adquisición de datos.
Subsistema de combustible
El subsistema de combustible es muy importante porque los reactivos necesitan moverse por la planta de celda de combustible para ser presurizados, enfriados, calentados, humidificados y, finalmente, entregados a la celda de combustible. Para realizar cualquiera de estas tareas, se deben utilizar componentes de la planta como sopladores, compresores, bombas y sistemas de humidificación. Otros componentes de la planta, como las turbinas, también son útiles porque pueden aprovechar la energía de los gases de escape calentados de la pila de combustible.
Sistemas de humidificación
En los sistemas PEMFC, es posible que se requiera un humidificador para la corriente de entrada de gas hidrógeno para evitar que el PEM de la celda de combustible se deshidrate bajo carga. La gestión del agua es un desafío en la celda de combustible PEM porque hay un calentamiento óhmico bajo un flujo de corriente elevado, lo que secará la membrana polimérica y ralentizará el transporte iónico. Es posible que las pilas que no funcionan cerca de la potencia máxima constantemente no requieran ninguna humidificación o que la pila pueda autohumedecerse. En sistemas de pilas de combustible más grandes, se debe humidificar el aire, el hidrógeno o ambos, en las entradas de combustible. Los gases se pueden humidificar haciendo burbujear el gas a través de agua (humidificación por punto de rocío), inyección de agua o vapor, intercambio de agua y calor a través de un medio permeable al agua o mediante muchos otros métodos.
Ventiladores y sopladores
Una forma económica de enfriar una pila de combustible o de proporcionar aire a una pila de combustible es utilizar ventiladores o sopladores. Cuando se utiliza un ventilador o un soplador, el escape de la pila de combustible está abierto al medio ambiente. El ventilador o soplador es impulsado por un motor eléctrico, que requiere energía de la celda de combustible u otra fuente para funcionar. Uno de los ventiladores más utilizados es el ventilador axial, que es eficaz para mover aire sobre las piezas; sin embargo, no es eficaz en grandes diferenciales de presión.
Compresores
La compresión de la entrada de aire aumenta la concentración de oxígeno por volumen por tiempo y, por lo tanto, aumenta la eficiencia de la pila de combustible. Esto significa que se puede utilizar una pila de pilas de combustible más pequeña y ligera. Además, la caída de tensión se verá retrasada por problemas de transporte masivo y se retrasará hasta mayores densidades de corriente. Si la presión es mayor, se puede utilizar un caudal volumétrico menor para el mismo caudal molar. La humidificación también es más fácil ya que se requiere menos agua para la saturación (por mol de aire). El diseño del campo de flujo es menos restrictivo porque se pueden tolerar mayores caídas de presión en el campo de flujo. Un compresor (como un ventilador o un soplador) es impulsado por un motor eléctrico, que requiere energía de la celda de combustible u otra fuente para funcionar.
Turbinas
En los sistemas de pilas de combustible presurizados, el gas de salida suele estar caliente y presurizado (aunque es más bajo que la presión de entrada). Este gas caliente de las pilas de combustible se puede convertir en trabajo mecánico mediante el uso de turbinas. Esta energía se puede utilizar para generar trabajo que pueda compensar el trabajo necesario para comprimir el aire. La eficiencia de la turbina determina si se debe incorporar al sistema de pila de combustible.
Bombas de pila de combustible
Las bombas, como sopladores, compresores y ventiladores, y sus motores asociados, se encuentran entre los componentes más importantes del sistema de una planta de pilas de combustible. Estos componentes son necesarios para mover combustibles, gases y condensado a través del sistema y son factores importantes en la eficiencia del sistema de celda de combustible. Los PEMFC de tamaño pequeño a mediano para aplicaciones portátiles tienen una contrapresión de aproximadamente 10 kPa o 1 m de agua. Esto es demasiado alto para la mayoría de los ventiladores axiales o centrífugos; por lo tanto, una bomba sería más adecuada para estos casos.
Subsistemas eléctricos
La producción eléctrica de una pila de combustible no es una fuente de energía ideal. La salida de todas las pilas de combustible es un voltaje CC que varía ampliamente y tiene una capacidad de sobrecarga limitada. Sin embargo, la salida es útil para muchas aplicaciones, como la generación de energía conectada a la red de CA y cargas independientes de CA o CC. Una pila de celda de combustible responde lentamente a los cambios de carga y puede tener un arranque lento. El voltaje del terminal de la celda de combustible puede alternar hasta un 50 por ciento, dependiendo de la carga y la entrega de la celda de combustible. Para que las pilas de combustible se comporten como baterías, la pila de combustible debe diseñarse para compensar los picos de energía, las cargas deben rediseñarse para adaptarse a las limitaciones de las pilas de combustible o se requiere una electrónica de potencia sofisticada.
Las dos áreas básicas de la electrónica de potencia que es necesario abordar son la regulación de potencia y los inversores. La potencia eléctrica producida por una pila de combustible no es constante. Aumentar la corriente disminuye el voltaje proporcionalmente mayor que otros dispositivos electrónicos. El voltaje de la pila de combustible normalmente se controla mediante reguladores de voltaje, convertidores CC/CC y circuitos interruptores a un valor constante que puede ser mayor o menor que el voltaje de funcionamiento de la pila de combustible. La corriente generada por las pilas de combustible es corriente continua (CC), lo que resulta ventajoso para muchos sistemas de pilas de combustible más pequeños. Los sistemas de pilas de combustible más grandes que se conectan a la red eléctrica deben convertirse a corriente alterna (CA) mediante inversores.
Conclusión
La eficiencia real de la pila de combustible debe tener en cuenta muchos tipos de pérdidas: calor, cinética de electrodos, resistencia eléctrica e iónica y transporte de masa. El procesador de combustible, los compresores, las bombas, los sopladores, los ventiladores y el subsistema eléctrico generan pérdidas adicionales en el sistema. El diseño del sistema de pila de combustible debe constar de los componentes adecuados para monitorear y mejorar las entradas (hidrógeno y oxígeno) y las salidas (electricidad, agua y calor) de la pila de combustible.
