- ¿Qué es una pila de combustible?
- Interfaces de una pila de combustible con otros componentes
- Componentes de la pila de células de combustible
- Tecnología de pilas de combustible
- Criterios de rendimiento en el diseño de pilas de combustible
- Los siete atributos técnicos para la selección de pilas de combustible
- Apilamiento de pilas de combustible
- Eficiencia de apilamiento de células de combustible
- Principios operativos a optimizar
- Medidas de seguridad
- Prevención de la degradación de las pilas de combustible
- Equipo de pruebas de pilas de combustible
- Arranque de una pila de combustible de hidrógeno utilizando una batería integrada
Visite pilas de combustible de los principales proveedores en nuestro mercado!
¿Qué es una pila de pilas de combustible?
En esencia, una pila de combustible es un conjunto modular de pilas de combustible estandarizadas individuales integradas en un conjunto de pila que produce la potencia necesaria para una aplicación determinada. La tecnología de pilas de combustible engloba todos los métodos y componentes necesarios para integrar las pilas de combustible individuales en la pila, creando así un sistema de pilas de combustible "llave en mano" y "atornillable" capaz de integrarse en una gran variedad de aplicaciones fijas y móviles.
Para profundizar en la definición de pila de combustible, las pilas de combustible de hidrógeno consisten en una serie de pilas de combustible conectadas en paralelo o en serie para crear la tensión y la corriente de salida deseadas. Cada pila de combustible consta de dos electrodos, un cátodo y un ánodo, separados por un electrolito. El cátodo suele estar hecho de un material poroso y conductor, como el carbono, mientras que el ánodo está hecho de un material catalíticamente activo, como el platino o el paladio. El electrolito es un material sólido o líquido que permite el paso de iones pero bloquea los electrones.
Cuando se suministra combustible y oxidante al ánodo y al cátodo, respectivamente, se produce una reacción química en los electrodos, produciendo electricidad. En el ánodo, el combustible (normalmente hidrógeno) se oxida, liberando electrones y protones. Los protones pasan a través del electrolito hasta el cátodo, mientras que los electrones son forzados a fluir a través de un circuito externo, produciendo electricidad. En el cátodo, los protones y los electrones se recombinan con el oxígeno del aire para formar agua, completando así el proceso electroquímico.
Interfaces de una pila de combustible con otros componentes
Existen cuatro interfaces entre una pila de combustible de hidrógeno y otros componentes de un sistema de pila de combustible. Estas cuatro interfaces son:
- La entrada y la salida de combustible permiten suministrar y extraer combustible de hidrógeno de la pila de combustible. La entrada de combustible suele estar conectada a un sistema de suministro de combustible, que puede incluir un compresor, un filtro y un depósito de almacenamiento. La salida de combustible está conectada típicamente a un sistema de escape de combustible, que puede incluir una unidad de purificación de gas y un depurador de chimenea para eliminar las impurezas y el exceso de agua.
- La entrada y la salida de oxidante permiten suministrar y extraer oxidante (típicamente aire u oxígeno) de la pila de combustible de hidrógeno. La entrada de oxidante suele estar conectada a un sistema de suministro de aire, que puede incluir un compresor y un filtro. La salida de oxidante se conecta típicamente a un sistema de escape, que puede incluir una unidad de purificación de gas y un depurador de chimenea para eliminar las impurezas y el exceso de agua.La entrada de refrigerante se conecta típicamente a un sistema de suministro de aire, que puede incluir un compresor y un filtro.
- La entrada y salida de refrigerante permiten que un fluido refrigerante (típicamente agua o glicol) circule a través de la pila de combustible para eliminar el calor generado durante el proceso electroquímico. La entrada de refrigerante se conecta normalmente a un sistema de refrigeración, que puede incluir una bomba, un intercambiador de calor y un radiador. La salida del refrigerante suele estar conectada a un conducto de retorno que conduce de nuevo al sistema de refrigeración.El sistema de refrigeración de la pila de combustible es un sistema de refrigeración de la pila de combustible.
- La interfaz eléctrica permite conectar la pila de combustible de hidrógeno a una carga externa o a un sistema de almacenamiento de energía. La interfaz eléctrica puede incluir conectores y cables para la alimentación de CC, así como inversores y electrónica de control para la alimentación de CA.
Componentes de la pila de combustible
Una pila de pila de combustible típica incluye estos 7 componentes.
- Las pilas de combustible son el corazón de la pila de combustible, y son responsables de generar electricidad a través del proceso electroquímico. Cada pila de combustible se compone de un ánodo, un cátodo y un electrolito, así como de colectores de corriente y separadores, para facilitar el flujo de iones y electrones.
- Las placas bipolares son placas delgadas y planas que se intercalan entre las pilas de combustible en una pila de combustible de hidrógeno. Sirven como columna vertebral estructural de la pila, además de proporcionar conductividad eléctrica y gestión térmica. Las placas bipolares pueden estar hechas de diversos materiales, como metales, polímeros y cerámica.
- Las juntas y sellos se utilizan para crear un sello hermético entre las pilas de combustible y las placas bipolares en una pila de pilas de combustible, evitando fugas y manteniendo un flujo de gas constante. Las juntas y los sellos pueden estar hechos de una variedad de materiales, incluidos elastómeros, grafito y materiales compuestos.
- Las placas de los extremos están situadas en la parte superior e inferior de la pila de combustible y proporcionan soporte estructural y sellado a la pila. También pueden incluir disposiciones para las entradas y salidas de combustible, las entradas y salidas de oxidante y las entradas y salidas de refrigerante.
- Los colectores de gas son canales o tuberías que distribuyen combustible y oxidante a las pilas de combustible de una pila de combustible de hidrógeno. También pueden incluir disposiciones para la purificación del gas y la eliminación de la humedad.
- Los colectores de gas son canales o tuberías que distribuyen el combustible y el oxidante a las pilas de combustible de la pila de combustible de hidrógen. Los colectores de refrigerante son canales o tuberías que hacen circular fluido refrigerante por la pila para eliminar el calor. También pueden incluir disposiciones para la detección y el control de la temperatura.
- Los conectores y cables eléctricos proporcionan una interfaz entre la pila de combustible y las cargas externas o los sistemas de almacenamiento de energía. Pueden incluir conectores y cables para la alimentación de CC, así como inversores y componentes electrónicos de control para la alimentación de CA.
Tecnología de pilas de combustible
Las tecnologías de pilas de combustible están disponibles en diferentes tipos, como las pilas de combustible PEM, SOFC, PAFC, AFC, MCFC, DMFC y ZAFC.
La tecnología de pilas de combustible se basa en la tecnología de pilas de combustible
- Células de combustible de membrana electrolítica de polímero (PEM): en las celdas de una pila de combustible PEM, se utiliza una fina membrana de polímero como electrolito y suelen alimentarse con hidrógeno gaseoso. El diseño de la pila PEMFC es conocido por su alta densidad de potencia y sus rápidos tiempos de respuesta y se utiliza a menudo en aplicaciones portátiles y móviles.
- Células de combustible de óxido sólido (SOFC): las SOFC utilizan un material de óxido sólido como electrolito y pueden alimentarse con diversos gases, como hidrógeno, gas natural y biogás. Una pila de combustible de óxido sólido ofrece un alto grado de eficiencia y durabilidad, y este diseño se utiliza a menudo en aplicaciones de energía estacionarias.
- Células de combustible de ácido fosfórico (PAFC): Las PAFC utilizan ácido fosfórico como electrolito y suelen alimentarse con hidrógeno gaseoso. Son conocidas por su alta eficiencia y su coste relativamente bajo y se utilizan a menudo en aplicaciones de energía estacionarias.
- Células de combustible alcalinas (AFC): Las AFC utilizan una solución alcalina como electrolito y suelen alimentarse con hidrógeno gaseoso. Son conocidas por su alta eficiencia y fiabilidad y se utilizan a menudo en naves espaciales y otras aplicaciones especializadas.
- Células de combustible de carbonato fundido (MCFC): Las MCFC utilizan un material de carbonato fundido como electrolito y pueden alimentarse con diversos gases, como hidrógeno, gas natural y biogás. Son conocidas por su alta eficiencia y flexibilidad de combustible y se utilizan a menudo en aplicaciones de energía estacionaria.
- Células de combustible de metanol directas (DMFC): Las DMFC utilizan una membrana de intercambio de protones como electrolito y se alimentan de metanol disuelto en agua. Son conocidas por su alta densidad de potencia y sus rápidos tiempos de respuesta y se suelen utilizar en aplicaciones portátiles y móviles.
- Células de combustible de zinc-aire: Las pilas de combustible zinc-aire utilizan oxígeno del aire como oxidante y están alimentadas por zinc. Son conocidas por su alta densidad de energía y su bajo coste y se utilizan a menudo en aplicaciones portátiles y móviles.
Criterios de rendimiento en el diseño de pilas de combustible
Densidad de potencia, eficiencia, durabilidad y coste son 4 importantes criterios de rendimiento necesarios para una pila de combustible de hidrógeno de última generación
- La densidad de potencia se refiere a la cantidad de energía que se puede generar por unidad de superficie o volumen de una pila de combustible. Las densidades de potencia más altas permiten pilas más pequeñas y compactas, lo que es importante para aplicaciones con espacio limitado.
- La eficiencia se refiere a la relación entre la producción de energía eléctrica y la entrada de energía química en una pila de combustible. Una mayor eficiencia se traduce en un menor desperdicio de energía y un menor consumo de combustible.
- La durabilidad se refiere a la capacidad de una pila de combustible para mantener su rendimiento a lo largo del tiempo. Entre los factores que pueden afectar a la durabilidad se incluyen la calidad y pureza del combustible y el oxidante, la temperatura y humedad de funcionamiento, y la presencia de impurezas y contaminantes.
- El coste es una consideración importante en el diseño de pilas de combustible. Entre los factores que pueden influir en el coste de una pila de combustible se incluyen los materiales y los procesos de fabricación utilizados, así como la escala de producción.
Los siete atributos técnicos para la selección de pilas de combustible
A continuación se mencionan los siete atributos técnicos que suelen tenerse en cuenta a la hora de adquirir e integrar una pila de combustible en un sistema de pilas de combustible.
- El tipo de combustible es uno de los atributos técnicos más importantes de una pila de combustible. Las diferentes tecnologías de pilas de combustible están diseñadas para funcionar con diferentes combustibles, y es importante elegir una pila de pilas de combustible que sea compatible con el combustible que se va a utilizar. Por ejemplo, las pilas de combustible PEM suelen utilizarse con hidrógeno, mientras que las pilas de combustible de metanol directo (DMFC) están diseñadas para funcionar con metanol.
- La temperatura de funcionamiento de la pila es una consideración importante, ya que influye en la eficiencia y la durabilidad del conjunto de la pila de combustible. Algunas tecnologías de pilas de combustible, como las pilas de combustible de membrana de intercambio protónico (PEM), son sensibles a la temperatura. Por lo tanto, el diseño de la pila de combustible PEM requiere un control preciso de la temperatura para un funcionamiento óptimo. Otros diseños, como el diseño de la pila SOFC (pila de combustible de óxido sólido – SOFC), pueden funcionar a temperaturas mucho más elevadas y puede que no requieran tanto control de la temperatura.
- La presión de funcionamiento de la pila es otra consideración importante, ya que puede afectar a la eficiencia y durabilidad de la pila. Algunas tecnologías de pilas de combustible, como las pilas de combustible PEM, funcionan a bajas presiones y requieren un control preciso de la presión del conjunto de la pila de pilas de combustible PEM para funcionar de forma óptima. Otras, como las SOFC, pueden funcionar a presiones mucho más altas y es posible que no requieran tanto control de la presión.
- La potencia de salida de una pila de combustible es una consideración importante, ya que determina la cantidad de electricidad que puede generar la pila. La potencia de salida de la pila puede ajustarse cambiando el número de pilas de combustible de la pila asenbly, el tamaño de las pilas de combustible o las condiciones de funcionamiento de la pila.
- La salida de tensión y corriente de una pila de combustible son consideraciones importantes, ya que determinan la compatibilidad de la pila con cargas externas o sistemas de almacenamiento de energía. La salida de voltaje y corriente puede ajustarse conectando las pilas de combustible en serie o en paralelo, o utilizando componentes electrónicos de regulación de voltaje y corriente.
- El tamaño y el peso de una pila de combustible de hidrógeno son consideraciones importantes, ya que determinan la huella física y la transportabilidad de la pila. Las pilas de combustible más pequeñas y ligeras suelen ser más deseables para aplicaciones con requisitos de espacio o movilidad limitados.
- La facilidad de integración de una pila de combustible es una consideración importante. Esto determina la facilidad con la que la pila puede incorporarse a un sistema de pilas de combustible. Entre los factores que pueden influir en la facilidad de integración se incluyen el número y el tipo de interfaces, la compatibilidad con otros componentes y la disponibilidad de documentación y asistencia técnica.
Apilamiento de pilas de combustible
La potencia de una pila de combustible de hidrógeno puede aumentarse apilando más pilas de combustible en un conjunto de pila de combustible. Esto se debe a que cada pila de combustible de una pila contribuye a la potencia total de salida de la pila y añadir más pilas de combustible aumenta la potencia total de salida. El apilamiento de pilas de combustible permite una mayor flexibilidad en el diseño de un sistema de pilas de combustible. La modularidad inherente al diseño de pilas de combustible permite ajustar fácilmente la potencia de salida añadiendo o quitando pilas de combustible según sea necesario. Así, el sistema de pilas de combustible puede adaptarse a los requisitos de potencia específicos de la aplicación y es más fácil ampliar o reducir el sistema utilizando componentes idénticos.
Además de aumentar la potencia de salida, el apilamiento de pilas de combustible de forma modular también permite un diseño más compacto y ligero, ya que se puede generar más potencia en un volumen menor. Esto es especialmente importante para aplicaciones con limitaciones de espacio o peso, como los dispositivos portátiles o los vehículos.
Eficiencia de las pilas de combustible
La eficiencia de la pila se mide típicamente como la relación entre la salida de energía eléctrica y la entrada de energía química. Se calcula midiendo y comparando la potencia eléctrica de salida de la pila, así como el caudal y el contenido energético de las entradas de combustible y oxidante.
La eficiencia de una pila de combustible puede variar en función de una serie de factores, como la tecnología de la pila de combustible, las condiciones de funcionamiento de la pila y la calidad y pureza del combustible y el oxidante. En general, las pilas de combustible de hidrógeno son más eficientes cuando funcionan a su potencia nominal y a temperaturas y presiones óptimas.
Principios-operativos-a-optimizar
Un ingeniero de pilas de combustible suele centrarse en optimizar el rendimiento y la eficiencia de una pila de combustible de hidrógeno, así como su durabilidad y fiabilidad. Para lograrlo, el ingeniero se centrará en una serie de principios operativos, como:
- Pureza del combustible y del oxidante: Garantizar que los gases combustible y oxidante sean de alta pureza puede ayudar a minimizar la degradación y prolongar la vida útil de la pila de combustible. El ingeniero puede utilizar herramientas como unidades de purificación de gases, filtros y trampas de humedad para eliminar las impurezas y los contaminantes de los gases.
- Temperatura y presión de funcionamiento: Mantener una temperatura y presión de funcionamiento óptimas puede ayudar a maximizar la eficiencia y durabilidad de la chimenea. El ingeniero puede utilizar herramientas como termopares, sensores de temperatura y sensores de presión para supervisar y controlar las condiciones de funcionamiento de la chimenea.
- Gestión de la carga: Gestionar la carga de la pila de combustible puede ayudar a optimizar su rendimiento y prolongar su vida útil. El ingeniero puede utilizar herramientas como bancos de carga, sistemas de adquisición de datos y electrónica de control para supervisar y controlar la carga de la pila.
- Mantenimiento: Un mantenimiento regular puede ayudar a prevenir la degradación y prolongar la vida útil de la pila. El ingeniero puede utilizar herramientas como suministros de limpieza, equipos de inspección y herramientas de diagnóstico para realizar el mantenimiento de la chimenea.
- Pruebas: Las pruebas periódicas ayudan a identificar cualquier problema que pueda surgir y permiten al ingeniero tomar las medidas correctivas necesarias. El ingeniero puede utilizar herramientas tales como bancos de pruebas de pilas de combustible, bancos de carga y sistemas de adquisición de datos para probar el rendimiento y la fiabilidad de la pila.
Además de estos principios de funcionamiento, un ingeniero de pilas de combustible también puede utilizar una serie de herramientas y equipos para optimizar el rendimiento y la fiabilidad de una pila de combustible de hidrógeno. Estas herramientas pueden incluir:
- Herramientas computacionales: Los ingenieros de pilas de combustible pueden utilizar herramientas computacionales, como software de diseño asistido por ordenador (CAD) y herramientas de simulación, para diseñar y optimizar la pila de combustible y sus componentes. Estas herramientas pueden ayudar a identificar posibles problemas de diseño y permitir al ingeniero realizar cambios y mejoras antes de construir la pila.
- Herramientas de análisis de datos: Los ingenieros de pilas de combustible pueden utilizar herramientas de análisis de datos, como hojas de cálculo y software de visualización de datos, para analizar los datos de las pruebas de pilas de combustible e identificar tendencias y patrones. Esto puede ayudar al ingeniero a comprender el rendimiento y la fiabilidad de la pila de combustible de hidrógeno y a identificar áreas de mejora.
- Equipos de diagnóstico: Los ingenieros de pilas de combustible pueden utilizar equipos de diagnóstico, como multímetros y osciloscopios, para solucionar y diagnosticar problemas con la pila de combustible. Estas herramientas pueden ayudar al ingeniero a identificar problemas con la pila y tomar medidas correctivas según sea necesario.
- Equipos de prueba: para probar el rendimiento y la fiabilidad, los ingenieros pueden utilizar una serie de equipos para probar la pila de pilas de combustible, como bancos de carga, sistemas de adquisición de datos y bancos de prueba de pilas de combustible. Estas herramientas pueden ayudar al ingeniero a identificar problemas y a tomar medidas correctivas según sea necesario.
Medidas de seguridad
Hay varias medidas de seguridad que se suelen tomar en el diseño de los sistemas de pilas de combustible para garantizar que los conjuntos de pilas de combustible de hidrógeno funcionen de forma segura.
Las pilas de combustible de hidrógeno pueden funcionar de forma segura si se instalan en un lugar seguro
- Manejo y purificación del gas: Los sistemas de pilas de combustible suelen incluir una serie de medidas para garantizar que los gases combustibles y oxidantes se manipulan y purifican de forma segura. Esto puede incluir filtros para eliminar contaminantes e impurezas, compresores y reguladores para controlar el flujo y la presión del gas, y unidades de purificación del gas para eliminar la humedad y otras impurezas.
- Sistemas de refrigeración: Las pilas de combustible generan calor durante el proceso electroquímico, y es importante asegurarse de que las pilas se refrigeran adecuadamente para evitar sobrecalentamientos y daños. Los sistemas de pilas de combustible suelen incluir un sistema de refrigeración para hacer circular un fluido refrigerante a través de las pilas y eliminar el exceso de calor.
- Seguridad eléctrica: Los sistemas de pilas de combustible generan electricidad, y es importante garantizar que los componentes eléctricos del sistema estén diseñados e instalados de forma segura. Esto puede incluir medidas como la conexión a tierra, la protección contra sobrecorrientes y el aislamiento para evitar incendios y descargas eléctricas.
- Integridad estructural: Las pilas de combustible suelen estar sometidas a una serie de tensiones ambientales y mecánicas, por lo que es importante garantizar que las pilas estén diseñadas y construidas con la suficiente integridad estructural para soportar estas tensiones. Esto puede incluir medidas como el refuerzo, el apuntalamiento y los revestimientos protectores para evitar daños.
- Apagado de emergencia: Los sistemas de pilas de combustible suelen incluir un sistema de apagado de emergencia para apagar automáticamente el sistema en caso de fallo o mal funcionamiento. Esto puede incluir sensores para detectar condiciones peligrosas, así como electrónica de control para activar el apagado.
Prevención de la degradación de las pilas de combustible
La degradación de un stack de pila de combustible afecta a la vida útil de una pila de combustible, pero se pueden utilizar varias medidas para reducir la degradación de los stacks de pila de combustible y aumentar su vida útil.
- Una filtración adecuada de los gases combustibles y oxidantes puede ayudar a eliminar impurezas y contaminantes que pueden causar la degradación de las pilas de combustible. Esto puede incluir filtros para eliminar partículas, así como unidades de purificación de gas para eliminar la humedad y otras impurezas.
- La pureza del combustible de hidrógeno también puede afectar al rendimiento y la vida útil de una pila de combustible. El combustible de hidrógeno contaminado con impurezas como vapor de agua, hidrocarburos o metales puede causar corrosión y degradación de las pilas de combustible. Es importante asegurarse de que el combustible de hidrógeno sea de alta pureza para minimizar estos efectos.
- Las condiciones de funcionamiento de una pila de combustible de hidrógeno también pueden afectar a su rendimiento y vida útil. Factores como la temperatura, la presión y la humedad pueden afectar a la estabilidad y durabilidad de las pilas de combustible. Es importante mantener unas condiciones de funcionamiento óptimas para minimizar la degradación y prolongar la vida útil de la pila.
- Un mantenimiento adecuado de la pila también puede ayudar a prevenir la degradación y prolongar su vida útil. Esto puede incluir medidas como la limpieza y la inspección periódicas de las pilas de combustible y otros componentes, así como la sustitución de las piezas desgastadas o dañadas según sea necesario.
Equipos de prueba de pilas de combustible
Varios equipos, como caudalímetros de gas, termopares, bancos de carga, sistemas de adquisición de datos y bancos de pruebas de pilas de combustible, se utilizan habitualmente para probar los stacks de pilas de combustible de hidrógeno.
- Los caudalímetros y reguladores de gas se utilizan para medir y controlar el caudal de los gases combustibles y oxidantes que llegan a la pila de combustible. Esto permite controlar y medir con precisión las condiciones de funcionamiento de la pila.
- Los termopares y los sensores de temperatura se utilizan para medir la temperatura de la pila y sus componentes, como las pilas de combustible, las placas bipolares y el refrigerante. Esto permite supervisar y controlar el perfil de temperatura de la pila.
- Los bancos de carga se utilizan para aplicar una carga a un conjunto de pilas de combustible y medir su producción eléctrica. Esto permite caracterizar el rendimiento de la pila en diferentes condiciones de carga.
- Los sistemas de adquisición de datos se utilizan para recopilar y registrar datos de la pila de combustible y sus componentes durante las pruebas. Esto puede incluir datos sobre la salida eléctrica, los caudales de gas, la temperatura y otros parámetros.
- Los bancos de pruebas de pilas de combustible son sistemas especializados que se utilizan para probar pilas en diversas condiciones. Estos sistemas pueden incluir características como el control de la temperatura y la humedad, el control del flujo de gas y la presión, bancos de carga y sistemas de adquisición de datos. Los bancos de pruebas de pilas de combustible se suelen utilizar para caracterizar el rendimiento de los apilamientos de pilas de combustible de hidrógeno, así como para probar la durabilidad y fiabilidad de los apilamientos en diferentes condiciones de funcionamiento.
Puesta en marcha de una pila de combustible de hidrógeno mediante una batería integrada
Una batería integrada en un sistema de pila de combustible puede utilizarse para ampliar su vida útil de varias maneras. Una de ellas es utilizar la batería para arrancar la pila de combustible, especialmente en situaciones en las que la pila está fría o ha estado inactiva durante un largo periodo de tiempo. En este caso, la batería puede proporcionar un impulso de potencia temporal para poner en marcha la pila, hasta que tome el relevo como fuente de energía primaria una vez que haya alcanzado la temperatura de funcionamiento.
Una batería integrada también se puede utilizar para proporcionar una fuente de energía de reserva para el sistema de pila de combustible en el caso de un corte de energía u otra interrupción en el suministro de combustible. En este caso, la batería puede proporcionar energía a las cargas críticas hasta que el conjunto de la pila pueda reiniciarse o se restablezca el suministro de combustible.
Otra forma de utilizar una batería integrada para prolongar la vida útil de un sistema de pila de combustible es reduciendo la carga de la pila de combustible. Esto implica utilizar la batería para almacenar el exceso de energía generada durante los momentos de mayor demanda, y luego descargar esa energía de nuevo a la carga durante los momentos de menor demanda. Esto puede ayudar a reducir la carga total de la pila de combustible de hidrógeno, lo que a su vez puede prolongar su vida útil.
Última actualización: 06.02.2023