Tamaño de la pila de pilas de combustible
El primer paso en la ingeniería de una pila de combustible es obtener los requisitos de energía. Luego, la pila se diseña para cumplir con esos requisitos y, a menudo, se conocen la potencia, el voltaje y la corriente máximos. La potencia de salida de una pila de celda de combustible es el producto del voltaje y la corriente de la pila:
Los requisitos máximos de potencia y voltaje dependen de la aplicación. El ingeniero debe comprender estas especificaciones para construir una pila de celdas de combustible del tamaño adecuado. Es útil conocer la densidad de corriente y potencia al diseñar una pila de pila de combustible. Estos a menudo no están disponibles inicialmente, pero se pueden calcular a partir de la potencia de salida deseada, el voltaje de la pila, la eficiencia y las limitaciones de volumen y peso. La corriente es un producto de la densidad de corriente y el área activa de la celda:
El potencial de la celda y la densidad de corriente están relacionados por la curva de polarización:
En la Figura 1 se muestra un ejemplo de una curva de polarización. La curva de polarización se puede utilizar para ayudar a diseñar inicialmente la pila de pilas de combustible.
Figura 1. Curva de polarización típica para una pila de celda de combustible PEM.
El área de la celda debe diseñarse para obtener la corriente requerida para la pila. Cuando esto se multiplica por el voltaje total de la pila, se debe obtener el requisito de potencia máximo para la pila. La mayoría de las pilas de pilas de combustible tienen las pilas conectadas en serie, pero las pilas se pueden diseñar en paralelo para aumentar la corriente de salida total. Al considerar el diseño de la pila, es preferible no tener celdas con un área activa pequeña o muy grande porque las celdas pueden provocar pérdidas resistivas. Con pilas de combustible que tienen grandes áreas activas, puede resultar difícil lograr condiciones uniformes de temperatura, humedad y gestión del agua.
El voltaje de la celda y la densidad de corriente son el punto de operación a la salida de potencia nominal y se pueden seleccionar en cualquier punto de la curva de polarización. El voltaje promedio y la densidad de corriente correspondiente seleccionados pueden tener un gran impacto en el tamaño y la eficiencia de la pila. Un voltaje de celda más alto significa una mejor eficiencia de la celda, y esto puede resultar de los materiales MEA, el diseño del canal de flujo y la optimización de la temperatura, el calor, la humedad, la presión y los caudales de reactivo del sistema. La eficiencia de la pila de combustible se puede aproximar con la siguiente ecuación:
Figura 2. Configuración típica de pila de combustible (una pila de dos celdas)
Resumen
Se deben considerar muchos parámetros al diseñar pilas de combustible. Algunas de las consideraciones de diseño más básicas incluyen la potencia requerida, el tamaño, el peso, la respuesta transitoria y las condiciones de funcionamiento. A partir de estos requisitos iniciales, se pueden elegir los requisitos de diseño más detallados (como el número de celdas, la selección de materiales y componentes, el diseño del campo de flujo, el diseño de difusión de gas, etc.).
