- ¿Cuál es la función principal de un filtro de célula de combustible?
- ¿Qué tipo de sustancias se filtran para proteger la pila de combustible?
- ¿Por qué son tan importantes los filtros de pilas de combustible para los sistemas de pilas de combustible?
- ¿Qué tipos de filtros de pilas de combustible existen?
- ¿Cuáles son los criterios clave de rendimiento de un filtro de pila de combustible?
- ¿Cuáles son los diferentes tipos de elementos de filtro disponibles?
- ¿Por qué es tan importante la caída de presión en un filtro de pila de combustible?
- ¿Dónde se colocan exactamente los filtros de pilas de combustible en las pilas de combustible o en los sistemas de hidrógeno?
- ¿Cuáles son los efectos del aire limpio en una pila de combustible?
- ¿Con qué frecuencia deben sustituirse los filtros?
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¿Cuál es la función principal de un filtro de pila de combustible?
La tecnología de celdas de combustible PEM puede desempeñar un papel importante en la descarbonización del transporte, la generación de energía y las aplicaciones fuera de carretera. Para lograr la penetración en el mercado, deben satisfacerse las expectativas de los clientes en cuanto a durabilidad, pero también en cuanto a costos. Uno de los factores que conduce a la degradación de las pilas de combustible es el efecto de la contaminación atmosférica dañina, por ejemplo, partículas, NOx, SO2 y NH3. Para implementar los requisitos de durabilidad a largo plazo de los sistemas de celdas de combustible, estos deben estar protegidos por purificadores de aire catódicos. Los filtros de aire catódicos eficientes y de alto rendimiento ayudan a lograr estos objetivos.
¿Qué tipo de sustancias se filtran para proteger la pila de combustible?
La función del conducto de aire del cátodo de una pila de combustible es proporcionar aire a la temperatura, presión, grado de humedad y limpieza adecuados. Para garantizar una protección eficaz, se requieren conocimientos profundos sobre los contaminantes y los mecanismos de degradación. Los filtros de pilas de combustible modernos abordan las siguientes sustancias:
- Las partículas presentes en el aire del cátodo que entran en la pila de combustible pueden provocar el bloqueo de la capa de difusión de gas (GDL), la capa microporosa (MPL) y otros canales de flujo, lo que reduce el transporte de medios y, por lo tanto, el rendimiento. Las partículas de sal también actúan sobre las membranas reduciendo su conductividad iónica.
- Los gases nocivos pueden degradar el rendimiento de la pila de dos formas: la primera es el envenenamiento del catalizador. En este caso, los gases nocivos ocupan sitios activos en el catalizador de platino, lo que reduce el área de superficie activa electroquímica (ECSA) según el tipo y la concentración. Esto da como resultado una caída temporal o permanente del voltaje de la pila y, por lo tanto, una disminución del rendimiento de la pila de combustible. La segunda es que los gases nocivos como el amoníaco (NH3) afectan a la durabilidad de las membranas de la pila de combustible y del humidificador. La reacción química con las funcionalidades de ácido sulfónico de la membrana puede provocar un aumento de la resistencia óhmica y una reducción del rendimiento de transferencia de agua y protones. Además, el envejecimiento acelerado y los efectos de degradación también provocan el deterioro de las propiedades mecánicas.
¿Por qué los filtros de pilas de combustible son tan importantes para los sistemas de pilas de combustible?
Los efectos de los gases nocivos sobre el rendimiento de las pilas de combustible, especialmente tras una exposición prolongada, son a menudo irreversibles, por lo que es esencial una protección eficaz de los componentes. Las pruebas realizadas sobre el efecto de los NOx en el rendimiento de una pila de combustible con un suministro de aire ambiente sin filtrar indicaron que una exposición prolongada provocaba una disminución constante de la tensión de la pila y, por tanto, un menor rendimiento. Además, los picos de NOx presentes en la atmósfera daban lugar a un rendimiento sustancialmente inferior durante un periodo temporal. Los altos volúmenes de tráfico pueden dar lugar a concentraciones más elevadas de NOx y, debido a ajustes de funcionamiento defectuosos en la tecnología de reducción catalítica selectiva (SCR), a emisiones más elevadas de NH3 – éstas también se dan en las zonas agrícolas.
Los esfuerzos de los fabricantes por reducir los costes de las chimeneas mediante una menor carga de platino y la reducción del grosor o la superficie de las membranas se traducen en mayores requisitos en materia de protección contra los gases nocivos.
¿Qué tipos de filtro de pilas de combustible existen?
Por lo general, la taxonomía de filtros se relaciona con el tipo de medio filtrante utilizado:
- Medios sintéticos: para eliminar partículas del aire del cátodo, se utilizan medios filtrantes sintéticos.
- Carbón: el carbón activado funcionalizado se utiliza para eliminar gases nocivos del aire mediante adsorción.
- Quimisorción: Para capturar los gases polares objetivo, se debe aplicar la quimisorción.
- Proceso de quimisorción: Impregnación de carbones activados con ácidos que unen gases básicos, p. ej., NH3. La funcionalización del carbón activado expone grupos químicos polares de polaridad opuesta.
En la mayoría de los casos, se aplican elementos filtrantes combinados con capas de filtro de partículas y de adsorción de gases. Se debe tener especial cuidado si la pila de combustible va a funcionar en entornos polvorientos.
¿Cuáles son los criterios clave de rendimiento de un filtro de celda de combustible?
Los principales parámetros clave de rendimiento de los filtros de pilas de combustible son:
- Eficiencia de adsorción de gas: la eficiencia de adsorción de gas de los filtros de celdas de combustible describe qué tan bien un filtro puede adsorber gases específicos y varía según el tipo de gas y su concentración.
- Capacidad de adsorción de gas: las capacidades de adsorción de gas de un filtro de celdas de combustible indican qué cantidad de gas se puede adsorber y varían según el gas y su concentración.
- Eficiencia de filtración de partículas: describe qué tan bien los filtros de celdas de combustible pueden capturar partículas de diferentes tamaños.
- Caída de presión.
El rendimiento de adsorción de gas se mide de acuerdo con la norma ISO 11 155-2 y depende de la concentración de gas aguas arriba, que es mucho más alta que las concentraciones reales para lograr duraciones de prueba aceptables, por ejemplo, 80 ppm para tolueno y 30 ppm para NOx y SO2.
La eficiencia de adsorción depende en gran medida de cuánto se haya cargado el adsorbedor, y los mejores filtros tienen eficiencias muy superiores al 90 %. La capacidad de adsorción se determina con un avance del 95 % o una duración de prueba definida, por ejemplo, 3 horas de carga. La capacidad real del filtro depende de la masa de carbón activado: los filtros cilíndricos para celdas de combustible de 80 a 130 kW alcanzan más de 100 g de tolueno con una carga de 80 ppm y una eficiencia del 95 %, más de 30 g de SO2 con una carga de 30 ppm después de 3 horas y más de 25 g de NOx en las mismas condiciones de carga.
La figura anterior muestra el principio de los carbones activados funcionalizados. Se comparan las curvas de ruptura de diferentes carbones activados para diferentes gases. Mientras que el carbón activado A alcanza su punto de saturación para el gas 1 después de un corto tiempo, es muy eficaz para el gas 2. Por otro lado, el carbón activado D no es adecuado para el gas 2, pero funciona mejor para el gas 3. Por lo tanto, la combinación de diferentes capas de carbón activado puede maximizar la eficiencia de adsorción para características de exposición especiales. En todos los filtros de aire catódicos, se debe encontrar el equilibrio óptimo entre la eficiencia de adsorción volumétrica y la caída de presión, lo que define el diseño del elemento de filtro de aire catódico. Si el gas nocivo pasa varias capas de carbón activado, la probabilidad de adsorción aumenta mientras que las caídas de presión aumentan también.
Se aplica la norma ISO 5011 para evaluar el rendimiento de filtración de partículas de los filtros de celdas de combustible. Cuando se carga con polvo de prueba A2 (ISO 12 103 – 1 g/m³). El filtro descrito anteriormente alcanza una eficiencia de filtración inicial del 99 % y superior, con una capacidad de polvo de 150 g a una caída de presión de 50 mbar.
Como puede ver en la siguiente ilustración, los diferentes medios filtrantes se utilizan en combinación.
¿Cuáles son los diferentes tipos de elementos filtrantes disponibles?
En general, hay 3 tipos diferentes de elementos de filtro disponibles.
a) Elemento filtrante plisado
b) Elemento filtrante de pila y
c) Elemento filtrante redondo
El rendimiento de estos elementos respectivos entre sí se puede encontrar en las curvas de flujo de volumen frente a la pérdida de presión a continuación. También es importante tener en cuenta que si el flujo de volumen está disminuyendo entonces la eficiencia de adsorción aumentará.
¿Por qué es tan importante la pérdida de presión en un filtro de pila de combustible?
La mayor caída de presión debe compensarse con un mayor rendimiento del compresor, lo que genera más ruido pero también consume más energía, lo que reduce la eficiencia general del sistema de celdas de combustible. Una contramedida es aumentar el tamaño del filtro, pero esto no es posible en todas las aplicaciones. Por ejemplo, en los automóviles de pasajeros, las pilas de combustible requieren altos flujos de aire, pero solo hay un pequeño volumen disponible; por lo tanto, a menudo se utilizan diseños de filtro de aire de panel. En los vehículos comerciales, hay más espacio disponible y, en combinación con los requisitos de vida útil más altos, se prefieren los elementos cilíndricos con varias capas de carbón activado. Si el flujo de aire es bajo, por ejemplo, con pilas de combustible más pequeñas, se prefieren los elementos cilíndricos.
¿Dónde se colocan exactamente los filtros de pilas de combustible en las pilas de combustible o sistemas de hidrógeno?
Los filtros de aire catódicos se colocan antes del compresor, también para proteger estos componentes de la contaminación por partículas. Si existe riesgo de entrada de agua, se debe colocar un separador de agua antes del elemento filtrante, ya que el agua líquida en el elemento filtrante podría bloquear el paso del aire y ocupar sitios de adsorción en las capas de adsorción.
La siguiente ilustración muestra un diseño ejemplar.
Como se ha visto anteriormente, el filtro de la pila de combustible está situado antes del compresor.
¿Cuáles son los efectos del aire limpio en una pila de combustible?
Los filtros de las pilas de combustible limpian el aire, lo que en última instancia mejora el rendimiento de un sistema de pilas de combustible. La siguiente figura es el resultado de una prueba ZBT realizada para analizar el efecto del aire limpio en una pila de combustible.
Como puede observarse en la figura anterior, el voltaje de la pila A operada con un filtro permanece casi constante, mientras que la pila B sufre una mayor degradación, causada por los NOx como muestra la caída de voltaje como consecuencia de los picos en la concentración de NOx. Esto demuestra claramente que el aire limpio desempeña un papel importante en la mejora del rendimiento de un sistema de pila de combustible.
¿Cada cuánto tiempo hay que cambiar los filtros?
Como la capacidad de adsorción de gases para los gases objetivo en los elementos de filtro de aire catódico depende de la masa del adsorbente, el filtro debe cambiarse cuando los carbones activados están completamente cargados o el gas nocivo comienza a filtrarse. Por lo tanto, el intervalo de servicio depende en gran medida de la mezcla de carbón activado, la masa del adsorbente y el tamaño del filtro. Para lograr una vida útil adecuada del filtro, se deben conocer las concentraciones típicas de gas objetivo que se encuentran en condiciones de funcionamiento típicas, lo que permite un diseño de filtro con un rendimiento de adsorción bien equilibrado.
Contenido aportado por MANN+HUMMEL
MANN+HUMMEL es una empresa líder a nivel mundial en tecnología de filtración. A través de sus dos unidades de negocio, Transportation y Life Sciences & Environment, el Grupo con sede en Ludwigsburg desarrolla soluciones inteligentes que permiten una movilidad más limpia, un aire más limpio y un agua más limpia. De este modo, la empresa realiza una importante contribución a un planeta limpio y al uso sostenible de los recursos limitados. En 2020, más de 23.000 empleados en más de 80 ubicaciones generaron una facturación de 4.200 millones de euros. Somos su socio perfecto para desarrollar y ampliar globalmente su negocio de pilas de combustible, ya que podemos aprovechar más de 80 años de conocimientos técnicos en filtración.
Última actualización: 15.1.2023