Módulo de pila de combustible

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¿Qué componentes se incluyen en un módulo de pila de combustible?

Los módulos de celdas de combustible constan de una pila de combustible PEM con un recinto y algunos sensores y actuadores. El conjunto de la pila de combustible en sí está formado por una variedad de piezas que forman el módulo de celda de combustible, a saber, el hardware auxiliar, como celdas de combustible individuales y conjuntos de celdas, ánodos, cátodos, placas colectoras de corriente, matrices, colectores, instrumentación, montaje y hardware de compresión, así como el recipiente del recinto de la pila.

¿Cuál es la diferencia entre una pila de pilas de combustible, un módulo de pilas de combustible y un sistema de pilas de combustible?

Una pila de combustible es el corazón de la tecnología. Aquí es donde se produce la electroquímica, combinando hidrógeno y oxígeno del aire para generar la corriente eléctrica de CC. La pila se compone de capas de celdas, placas terminales, MEA, juntas, sellos, capas de difusión de gas, todo ello sin una carcasa alrededor.

Un módulo de celda de combustible incluye la pila de combustible PEM y los requisitos inmediatos del sistema para gestionar esta pila de combustible en sí, incluidos los sistemas de suministro de aire e hidrógeno, la recirculación de hidrógeno, el refrigerante primario, los sistemas de control de alto y bajo voltaje y un sistema de control general.

Un sistema de celda de combustible incluye el módulo de celda de combustible más todos los elementos del resto de la planta, que pueden incluir el suministro de aire (compresor), el agua y los módulos de gestión térmica, circuitos de alto y bajo voltaje y un sistema de control. Los módulos de intercambiador de calor y de escape suelen ser externos al sistema de celda de combustible y, junto con un convertidor CC:CC, se configuran específicamente para un tren motriz de vehículo o un diseño de sistema estacionario.

¿Cómo funciona una pila de combustible?

Las pilas de combustible funcionan de forma similar a las baterías, pero pueden producir electricidad de forma continua siempre que se les suministre hidrógeno y oxígeno como combustible. A diferencia de las baterías, no se agotan ni necesitan recargarse. Una pila de combustible funciona según el principio de las reacciones electroquímicas. Al convertir la energía química del combustible de hidrógeno en energía eléctrica, se consigue una mayor eficiencia de la pila de combustible que con las baterías. Una pila de combustible PEM es una colección de celdas individuales que se han colocado juntas mediante placas bipolares (un ánodo y un cátodo combinados en uno). El hidrógeno pasa a través del ánodo mientras que el oxígeno pasa a través del cátodo desde el aire. En el ánodo, las moléculas de hidrógeno se dividen en electrones y protones mediante un catalizador. Las partículas positivas pueden pasar a través de la membrana, pero las negativas no. Sin embargo, los átomos necesitan una carga de compensación y, por lo tanto, los electrones cambian de camino. En ese momento, los electrones son forzados a pasar a través del circuito y generan corriente eléctrica. El subproducto de esta reacción es agua y calor. En el cátodo, los protones de hidrógeno, los electrones y el oxígeno se combinan para producir moléculas de agua.

¿De qué se compone un sistema de pilas de combustible?

Un sistema de celdas de combustible comprende una pila de combustible PEM, un módulo de pila de combustible y un sistema de equilibrio de la planta. La pila de combustible comprende capas de celdas en las que tiene lugar una reacción electroquímica, en la que el hidrógeno y el oxígeno del aire se combinan para generar electricidad y agua. Los componentes de la pila de combustible incluyen placas bipolares, conjuntos de electrodos de membrana (MEA), sellos y placas terminales, y el sistema de tensión. Un módulo de pila incluye funcionalidades de sistema adicionales para simplificar la integración en sistemas de clientes con el fin de optimizar la compatibilidad, el control y el rendimiento del sistema. Estas normalmente están integradas en un módulo de medios especial e incluyen válvulas, separadores de condensado para el circuito del ánodo, sensores de presión y temperatura, y características opcionales específicas del cliente del diseño de la pila de combustible.

¿Cómo se integran los módulos de pilas de combustible en sistemas completos de pilas de combustible? ¿Cuáles son las interfaces con otros componentes?

Se necesita una conexión al almacenamiento de hidrógeno a través de una línea de suministro regulada por presión, junto con módulos térmicos y de escape y comunicaciones hacia y a través de un "vehículo" u otro controlador maestro. Se necesitan otras interfaces para conexiones de bajo y alto voltaje. Es necesaria una conexión al agua como subproducto.

Módulo de pila de combustible IE-SOAR 800W de Intelligent Energy

¿Cuál es el voltaje de una célula en el módulo de pila de combustible?

Un conjunto de electrodos de membrana (MEA) y dos placas de campo de flujo, que suministran entre 0,5 y 1V de tensión, conforman una única pila de combustible (demasiado baja para la mayoría de las aplicaciones). Por lo tanto, dependiendo del tipo de aplicación, se conectan varias células en serie para proporcionar la potencia necesaria.

¿Cuáles son los criterios de rendimiento clave de un módulo de celda de combustible?

La densidad de corriente (amperios por cm2) y el voltaje de la pila, junto con la gestión proporcional de la temperatura y el agua, son criterios de rendimiento clave para los módulos de celdas de combustible. Todos estos parámetros contribuyen a la densidad de potencia total de la celda de combustible PEM. El tipo de refrigeración, el grado de calidad del combustible de hidrógeno, el consumo de combustible, la gestión de la carga máxima y la configuración de la celda de combustible son otras variables que determinan el rendimiento del módulo de celda de combustible.

¿Cuáles son los casos de uso preferentes de los módulos de pilas de combustible?

La tecnología de celdas de combustible tiene la ventaja de ser escalable y modular. Solo hay que ensamblar las celdas para producir la potencia de salida necesaria.

Los sistemas de energía motriz de servicio pesado (automóviles, ferrocarriles, marinos), la generación de energía estacionaria, los equipos de construcción y la generación de energía de respaldo son aplicaciones ideales para la tecnología de celdas de combustible. Con un peso ligero y una gestión del sistema, los módulos de celdas de combustible también se pueden adaptar para su uso en aplicaciones UAV y eVTOL.

La densidad de potencia de la celda de combustible PEM es un factor importante en la viabilidad de los vehículos aéreos no tripulados propulsados ​​por celdas de combustible. Debido al diseño modular y al suministro de energía continuo y constante, esta tecnología es ideal para aplicaciones de movilidad ultramodernas, incluso en vehículos aéreos como un dron propulsado por celdas de combustible.

Módulo de pila de combustible IE-SOAR 2,4kW de energía inteligente acoplado a dron de pila de combustible

Cuando se utiliza en un dron propulsado por pilas de combustible, ¿cuáles son los criterios que se deben cumplir para crear una ventaja frente a los drones propulsados ​​únicamente por baterías eléctricas?

La masa de las pilas de combustible y la densidad de potencia son fundamentales para garantizar una alta productividad y un funcionamiento con un ciclo de trabajo más prolongado (tiempo de vuelo) en comparación con las opciones propulsadas únicamente por baterías eléctricas.

¿Qué rangos de potencia para módulos de pilas de combustible son necesarios para qué caso de uso?

En el caso de los vehículos aéreos no tripulados de la generación actual, ya se pueden alcanzar hasta 5 kW. Para aplicaciones de mayor potencia, como aplicaciones estacionarias, automotrices y otras aplicaciones de tracción (ferroviarias, todoterreno, marinas), lo más habitual es alcanzar hasta 300 kW. Para los vehículos eléctricos de despegue y aterrizaje vertical (eVTOL) y la aviación, ronda los 1 MW+.

¿Qué medidas se toman para reducir el peso de las pilas de combustible y sistemas?

La reducción de masa en las chimeneas, los compartimentos y todo el resto del equipo de la planta es fundamental para lograr tiempos de vuelo más prolongados en aplicaciones aeronáuticas. También es necesaria como compensación para optimizar la aceleración, la velocidad de crucero y el consumo de combustible, así como la vida útil del sistema en aplicaciones motrices.

¿Cómo se prueban los módulos de pilas de combustible?

Se realizan pruebas exhaustivas en cada componente de la pila de combustible, celda, pila, subsistema y sistema completo. Se utilizan pruebas de control de calidad y garantía de calidad para verificar el rendimiento del módulo de la pila de combustible, por ejemplo: pruebas de fugas y controles de fluidos, monitoreo del voltaje de la celda, polarización de la celda/pila y pruebas del ciclo de vida.

¿Necesita mantenimiento un módulo de pila de combustible?

Las pilas de combustible no tienen partes móviles y es probable que sean más fiables que los motores de combustión; sin embargo, los sistemas de pilas de combustible requieren mantenimiento, por ejemplo, filtros. Las pilas de combustible estacionarias requieren relativamente poco mantenimiento, dependiendo de las condiciones ambientales locales (polvo, temperatura, etc.), que se pueden controlar de forma remota, con un servicio de mantenimiento y operación estándar.

¿Cuál es la vida útil de los módulos de pilas de combustible de última generación?

La vida útil de los módulos de pilas de combustible actuales variará en función de los perfiles operativos para las diferentes aplicaciones y se puede configurar en gran medida mediante la modificación u optimización de los materiales y la gestión del sistema. Un vehículo de pasajeros de alto rendimiento se puede optimizar en función de los requisitos de rendimiento, mientras que un camión pesado normalmente se optimizará para su vida útil. Las pilas de combustible de los vehículos eléctricos de pasajeros con pila de combustible están diseñadas para proporcionar una autonomía de entre 240.000 y 320.000 kilómetros, o la vida útil de los vehículos eléctricos con pila de combustible.

Contenido aportado por Intelligent Energy

Intelligent Energy es una empresa de ingeniería de celdas de combustible que cuenta con 30 años de experiencia en el desarrollo de celdas de combustible PEM. Se centra en el desarrollo y la comercialización de sus tecnologías de celdas de combustible PEM para una variedad de mercados, incluidos el automotriz, la energía estacionaria y los vehículos aéreos no tripulados. Tiene su sede en el Reino Unido y cuenta con operaciones adicionales en los EE. UU., Japón, Corea y China.

Última actualización: 15.1.2023