Condiciones de funcionamiento de la pila de combustible
Las condiciones de funcionamiento de la pila de combustible dependen del diseño de la pila y de la pila. Los parámetros operativos que afectan el rendimiento de la pila de combustible son:
• Presión operacional
• Temperatura de funcionamiento
• Caudales de reactivos
• Humedad de los reactivos
Utilizar las condiciones de funcionamiento correctas para cada parámetro es fundamental para obtener un buen rendimiento de la pila de combustible. Discutiremos estas condiciones operativas en el resto de esta publicación.
Presión operacional
Una pila de combustible puede funcionar a presión ambiente o en estado presurizado. El rendimiento de la pila de combustible a menudo mejora con una mayor presión. Sin embargo, la necesidad de compresión y almacenamiento de gas puede hacer que el sistema sea menos eficiente. La presurización del combustible también cambia la gestión del agua en cada celda; por lo tanto, las condiciones de funcionamiento de la pila de combustible deben analizarse desde la perspectiva del sistema. Los parámetros de la celda de combustible, como las composiciones del combustible de entrada, la difusividad de la capa de difusión de gas (GDL) y los diseños de las placas del campo de flujo, pueden cambiar con la presión del gas reactivo. Dado que la presión de saturación no varía para una temperatura de operación constante, la fracción molar de un oxidante como el oxígeno puede aumentar al aumentar la presión de operación.
Temperatura de funcionamiento
Una temperatura de funcionamiento más alta crea una mayor eficiencia de la pila de combustible. Para cada diseño de pila de combustible, existe una temperatura óptima y la temperatura de funcionamiento debe elegirse específicamente para cada sistema de pila de combustible. Una pila de combustible genera calor como subproducto de la reacción electroquímica y este calor debe controlarse para mantener la temperatura deseada. La temperatura de funcionamiento diseñada para la pila de combustible afecta a muchos factores. Una temperatura de funcionamiento más alta significa que se vaporiza más agua producida, por lo que el calor residual pasa al calor latente de vaporización y se expulsa menos agua líquida de la celda de combustible. Temperaturas más altas también significan una cinética más rápida y una ganancia de voltaje que excede la pérdida de voltaje debido a la relación termodinámica negativa entre el voltaje del circuito abierto y la temperatura. Las temperaturas más bajas equivalen a tiempos de calentamiento más cortos para el sistema de pila de combustible y menores tensiones termomecánicas. La corrosión y otros procesos que dependen del tiempo y la temperatura se reducen, por lo que se requiere mucho menos agua para la saturación de los gases de entrada. El límite superior de funcionamiento de las PEMFC es aproximadamente 90 ºC porque el agua se evapora de la membrana, lo que la seca y hace que el rendimiento disminuya rápidamente.
Caudales de reactivos
El caudal de los reactivos debe ser igual o mayor que la velocidad a la que esos reactivos se consumen dentro de la celda. El oxígeno y el hidrógeno se introducen en el sistema de pila de combustible al caudal adecuado necesario para la corriente requerida. Esto requiere un sistema de flujo variable si se quiere mantener constante la estequiometría. Incluso en un sistema que utiliza “presión atmosférica”, se necesita una presión ligeramente superior a la atmosférica para empujar los gases a través de los campos de flujo y expulsar el agua líquida. La presión adicional requerida es de 0,1 a 2,0 psi (0,7 a 13,8 kPa) por encima de la atmosférica.
Humedad de los reactivos
En las pilas de pilas de combustible PEM, los gases reactivos deben humidificarse antes de entrar en la celda para lograr una alta conductividad iónica de la membrana. Las curvas de polarización para diferentes niveles operativos de humedad relativa del aire y del hidrógeno se muestran en la Figura 1. El mejor rendimiento se obtuvo cuando el hidrógeno tenía una humedad del 70 por ciento. A altas densidades de corriente, el transporte desde el ánodo por arrastre electroosmótico excede el transporte al ánodo por retrodifusión desde el cátodo, lo que conduce a la deshidratación de la membrana y la degradación del rendimiento. El aire con baja humedad puede exacerbar este efecto al reducir la tasa de retrodifusión desde el cátodo. La humidificación de los gases anódicos conduce a niveles más altos de rendimiento de la pila de combustible. Cuando el aire tiene altos niveles de humedad, el rendimiento sólo mejora ligeramente debido a la retrodifusión del agua en el cátodo.
Figura 1. Curvas de polarización en función de la humedad del gas de alimentación de la pila de combustible [1].
Balance de masa de la pila de combustible
Para determinar los caudales másicos de la celda de combustible, la masa que fluye dentro y fuera de cada unidad de proceso y en la celda de combustible misma es esencial para determinar los requisitos generales de combustible, oxidante y (si corresponde) agua para el proceso. En general, un balance de masa se puede formular de la siguiente manera:
• Se debe dibujar y etiquetar un diagrama de flujo. Se debe incluir suficiente información en el diagrama de flujo para tener un resumen de cada flujo en el proceso. Esto incluye temperaturas, presiones, fracciones molares, caudales másicos y fases conocidas.
• Escriba la ecuación de balance de masa adecuada para determinar los caudales de todos los componentes de la corriente y resuelva las cantidades deseadas.
Resumen del capítulo
Las condiciones de funcionamiento de la pila de combustible dependen del diseño de la pila de combustible y de la pila. Las condiciones óptimas variarán de una célula a otra; por lo tanto, es necesario estudiar y preferiblemente calcular los parámetros óptimos para operar la celda. Las condiciones de funcionamiento típicas son diferentes para cada tipo de pila de combustible. Las PEMFC suelen funcionar entre 20 y 100 ºC y entre 1 y 3 atm. Los caudales varían según el tipo de combustible y el oxidante utilizado. Una humedad más alta normalmente mejora el rendimiento de las PEMFC. Los DMFC también operan de 20 a 100 ºC y de 1 a 3 atm. Los caudales varían según la concentración de metanol en el agua y el diseño del sistema. Es necesario utilizar las condiciones de funcionamiento correctas para obtener un buen rendimiento de la pila de combustible.
Referencias
JUSTICIA. Riascos, M.G. Simoes, Paulo, Eigi Miyagi, Mello Moraes. Control de pilas de combustible PEM aplicando una técnica de humedad constante. Electrochimica Acta, enero de 2008.
