- ¿Qué es un humidificador de pila de combustible?
- ¿Cómo funciona un humidificador de pila de combustible?
- ¿Existen diferentes tipos de humidificadores de pilas de combustible? ¿Cuáles son?
- Clasificación de los humidificadores de pilas de combustible:
- ¿Las pilas de combustible requieren un humidificador?
- ¿Cuáles son las interfaces principales en un humidificador de pilas de combustible?
- ¿Cuáles son los criterios clave de rendimiento de los sistemas de humidificación de pilas de combustible?
- ¿Cómo afecta un humidificador de pilas de combustible al funcionamiento y eficiencia de un sistema de pilas de combustible?
- ¿Cuál debería ser el nivel de humedad ideal de un sistema de pilas de combustible?
- ¿Qué sucede si no se utiliza un humidificador de pilas de combustible en un sistema de pilas de combustible?
- ¿Qué debe considerarse durante el mantenimiento de un humidificador de pilas de combustible?
- ¿Cuánto dura la vida útil de un humidificador de pila de combustible?
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¿Qué es un humidificador de pila de combustible?
En el funcionamiento de una celda de combustible de pila de combustible de membrana electrolítica (PEMFC), la gestión del agua es muy importante, ya que la conductividad protónica de la membrana electrolítica polimérica, que desempeña un papel fundamental en la determinación del rendimiento de la celda, es proporcional al nivel de hidratación de la membrana. Una variación de la humedad relativa del 85 al 35% provoca una reducción de un orden de magnitud completo de la conductividad protónica del Nafion, de 0,09 a 0,009 Scm. Básicamente, una celda de combustible debe hidratarse utilizando un humidificador. El exceso de agua provoca la difusión de los gases reactivos hacia las capas catalíticas. Esto reduce el rendimiento de la celda junto con las pérdidas debidas a la concentración, la polarización y el transporte de masa. Para obtener un alto rendimiento y una buena conductividad protónica, es esencial mantener un contenido óptimo de agua en la membrana. Esto se logra alimentando gases reactivos humidificados a través de un humidificador.
¿Cómo funciona un humidificador de pila de combustible?
Un humidificador de pilas de combustible protege las membranas de las pilas de combustible contra la desecación. Además, el humidificador proporciona humedad mediante la transferencia de vapor de agua de los gases de escape a los gases de admisión. Los gases que se envían a la pila de combustible se humidifican para mantener el nivel de hidratación óptimo de la membrana.
¿Existen diferentes tipos de humidificadores de pilas de combustible? ¿Cuáles son?
Existen diferentes tipos de humidificadores en el mercado basados en diversas aplicaciones.
Clasificación de los humidificadores de pila de combustible:
a) Basados en el método de humidificación
- Humidificación gas-gas
- Humidificación agua-gas
b) En función del tipo de humidificación
b) En función del tipo de humidificación
- Humidificador de recirculación
- Humidificador de membrana de fibra hueca
- Humidificador de membrana plana
c) En función del diseño del humidificador
i) Humidificación interna
- Diseño especial de pila
- Inyección directa de líquido
- Aditivo de membrana
- Mechas, esponjas y placas porosas
ii) Humidificación externa
- Humidificador de burbujeo
- Humidificador de rueda de entalpía
- Humidificador de membrana
¿Necesitan un humidificador las pilas de combustible?
El agua producida internamente por la reacción de reducción oxidante generalmente no es suficiente para asegurar una hidratación suficiente de la membrana electrolítica en todas partes de la celda. El efecto de secado de las corrientes de reactivos elimina esta agua del producto del GDL y deja la membrana seca, especialmente al comienzo de los canales del campo de flujo. Para agravar el problema, si bien es deseable operar la celda de combustible a temperaturas más altas para minimizar las pérdidas por activación, el efecto de secado resultante se vuelve más pronunciado a temperaturas más altas debido a la naturaleza exponencialmente creciente de la curva de presión de vapor de saturación. La humidificación es necesaria para asegurar que toda el área de la membrana esté bien humidificada. Una membrana más humidificada tiene una conductividad protónica más alta y una vida útil más larga. Por lo tanto, las celdas de combustible deben integrarse con módulos humidificadores de celdas de combustible como algo natural para lograr un rendimiento óptimo.
La humidificación de la pila se puede lograr utilizando diferentes métodos y diseños. La selección del humidificador se basa en la aplicación. Cuando se considera un sistema de prueba de laboratorio, el gas reactivo generalmente se humidifica haciéndolo pasar a través de un baño de agua en un humidificador de burbujas que se controla a una temperatura deseada. Este proceso supone que el punto de rocío del aire es el mismo que la temperatura del humidificador de burbujas. Esta temperatura se puede controlar independientemente de la temperatura de la celda para lograr el valor de HR deseado del gas. El vapor de agua es absorbido por el gas y la captación de agua es una función del área de la interfaz agua-gas. Este es un método de humidificación convencional y se usa ampliamente en celdas de combustible de laboratorio a pequeña escala debido a su simplicidad y bajo costo, pero no es muy práctico para su uso en pilas de gran escala.
¿Cuáles son las interfaces principales en un humidificador de pila de combustible?
El humidificador de pila de combustible consta de varias partes que hacen que los gases entrantes se humedezcan. Se utilizarán diferentes partes según el tipo de humidificador seleccionado. Las distintas partes del humidificador convencional son un canal de entrada para los gases calientes entrantes y un canal de salida para los gases fríos salientes. Según el tipo de humidificador seleccionado, se proporciona una membrana, placa o tubo de separación en el humidificador para separar los gases calientes y fríos.
¿Cuáles son los criterios de rendimiento clave de los sistemas de humidificación de celdas de combustible?
El humidificador es un factor importante en el diseño de una celda de combustible. El humidificador debe ser capaz de mantener niveles de humedad y flujo de reactantes estables y precisos en la celda de combustible en todo momento. El tiempo de respuesta, o la velocidad a la que se puede alcanzar un nivel de humedad deseado, también es un factor a tener en cuenta para algunos usuarios. Como se mencionó anteriormente, algunos métodos de humidificación pueden alcanzar o cambiar el nivel de humidificación más rápidamente que otros esquemas. El humidificador también debe ser capaz de suministrar caudales de ánodo y cátodo suficientes para la celda de combustible.
El rendimiento y la durabilidad de un humidificador PEMFC dependen de la estabilidad, precisión y capacidad del sistema de humidificación de la celda de combustible. La estabilidad de un humidificador es un factor importante para el caudal requerido de la celda de combustible que se debe mantener. El caudal de los gases determina la estabilidad del humidificador. La precisión del humidificador para mantener el nivel de humedad requerido de los gases entrantes afecta el rendimiento de la celda de combustible. Se debe mantener el mismo nivel de humedad para cada ciclo para lograr un rendimiento óptimo. Es necesario tener en cuenta la capacidad del humidificador para que coincida con la capacidad de la celda de combustible. No debe haber restricciones de flujo desde el humidificador hasta la celda de combustible.
Otros criterios necesarios para un humidificador de pila de combustible son la temperatura y la masa térmica. La temperatura es el parámetro que más influye en el rendimiento del humidificador de pila de combustible. Cuanto más alta sea la temperatura, mayor será el contenido de vapor de agua del gas suministrado. La superficie de contacto total sobre la que el gas caliente que entra en el humidificador está en contacto con los gases fríos que salen es uno de los parámetros de rendimiento clave que afectan a la eficiencia general de la pila de combustible.
¿Cómo afecta un humidificador de pilas de combustible al funcionamiento y eficiencia de un sistema de pilas de combustible?
El humidificador mejora la eficiencia de la pila de combustible y su conjunto reduciendo o eliminando la deshidratación de la membrana electrolítica. La vida útil del electrolito basado en membrana aumenta debido a la entrada de gases humidificados. La esperanza de vida de la pila de combustible se basa en la vida útil de la membrana. Por lo tanto, la pila de combustible necesita mantener la humedad de la membrana, lo que aumenta la eficiencia de la pila de combustible.
¿Cuál debería ser el nivel de humedad ideal de un sistema de pila de combustible?
El nivel de humedad ideal debe mantenerse en la pila de combustible para que funcione correctamente. La humedad del aire debe ser superior al 80% para evitar un secado excesivo y debe ser inferior al 100% para evitar posibles inundaciones en los electrodos.
¿Qué ocurre si no se utiliza un humidificador de pilas de combustible en un sistema de pilas de combustible?
El funcionamiento de una pila de combustible sin un sistema de humidificación provoca la deshidratación de la membrana electrolítica. Esto provoca perforaciones en la membrana que reducirán la eficiencia global del sistema de pila de combustible. Todas las pilas de combustible comerciales utilizan un humidificador para obtener un rendimiento óptimo de la pila de combustible. O bien la pila de combustible requiere la implementación de un sistema de humidificación interna, de lo contrario se utiliza la humidificación externa para una mejor eficiencia y esperanza de vida de la pila de combustible.
¿Qué se debe tener en cuenta durante el mantenimiento de un humidificador para pilas de combustible?
El uso repetido del humidificador de pila de combustible reduce la esperanza de vida del humidificador. Por lo tanto, el mantenimiento del humidificador para pilas de combustible es muy importante para mejorar la eficiencia del humidificador, lo que a su vez aumenta la eficiencia de la pila de combustible. El mantenimiento adecuado del humidificador requiere un sistema de limpieza eficaz, para conseguir un alto rendimiento y una vida útil más larga. Se utiliza para limpiar de polvo y obstáculos la membrana de separación de gases del humidificador. Las paredes del humidificador deben estar limpias de todo tipo de pequeñas partículas que se forman debido a la humedad.
¿Cuánto dura la vida útil de un humidificador de pila de combustible?
La vida útil de un humidificador de pila de combustible PEM es el parámetro más importante, que puede influir en todos los demás factores. Por lo tanto, existe un interés creciente en la investigación sobre el rendimiento de los humidificadores de pilas de combustible con el fin de desarrollar sistemas de humidificación de pilas de combustible duraderos e integrarlos en aplicaciones prácticas en un futuro próximo. La vida útil del humidificador de pila de combustible depende de los parámetros de funcionamiento y de la eficiencia del humidificador. La vida útil máxima de un humidificador de pila de combustible es de 18.000 a 20.000 horas.
Se informó de que la degradación del conjunto de electrodos de membrana (MEA) se producía en condiciones de baja humedad o en caso de que no se produjera humidificación de los gases reactantes. A su vez, no se observó ninguna degradación significativa bajo humidificación de saturación de la corriente de alimentación. Sin embargo, la comprensión del mecanismo real responsable de la degradación del MEA en condiciones de baja humedad sigue siendo ambigua hasta la fecha.
Última actualización: 13.01.2023