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¿Qué es una pila de combustible PEM?
Una celda de combustible de membrana de intercambio de protones (PEMFC) es un tipo de celda de combustible que utiliza hidrógeno como combustible y oxígeno del aire como oxidante. Convierte la energía química del combustible de hidrógeno en electricidad mediante una reacción química, siendo el agua el único subproducto residual. Una celda de combustible PEM es conocida por su alta eficiencia, su rápido tiempo de respuesta y su capacidad para operar a temperaturas relativamente bajas.
¿Cómo funciona una pila de combustible PEM?
El funcionamiento básico de una pila de combustible PEM de hidrógeno se puede describir en los siguientes pasos:
- El hidrógeno se suministra al ánodo (electrodo negativo) de la pila de combustible.
- En el ánodo, la molécula de hidrógeno se divide en sus protones y electrones individuales. Los protones pasan a través de la membrana de intercambio de protones (PEM) hasta el cátodo (electrodo positivo), mientras que los electrones fluyen a través de un circuito externo para crear una corriente eléctrica.
- En el cátodo, los protones, electrones y oxígeno del aire se combinan para formar moléculas de agua.
- La reacción química en el ánodo y el cátodo genera electricidad, que puede utilizarse para alimentar dispositivos eléctricos o almacenarse en una batería.
La reacción química global en una pila de combustible PEM puede representarse de la siguiente manera:
Hidrógeno + Oxígeno → Agua + Electricidad
Componentes de la pila de combustible PEM de hidrógeno
Los principales componentes de una pila de combustible PEM incluyen:
- Membrana de intercambio de protones (PEM): membrana de polímero delgada y porosa que permite el paso de protones y bloquea los electrones.
- Ánodo y cátodo: electrodos donde tienen lugar las reacciones químicas.
- Electrolito: sustancia que conduce iones, como protones o electrones, a través de una solución o un sólido.
- Capas de difusión de gases (GDL): capas de material poroso que distribuyen los gases (hidrógeno y oxígeno) a los electrodos y ayudan a eliminar el agua producida por la reacción.
- Placas bipolares: placas que separan las celdas de combustible individuales y proporcionan un camino para los gases y la corriente eléctrica.
- Colectores de corriente: materiales conductores que recogen y distribuyen la corriente eléctrica de la celda de combustible.
Diseño de una pila de combustible PEM
Una pila de combustible es un grupo de celdas de combustible conectadas en serie o en paralelo para aumentar la potencia total de salida. Para diseñar una pila de combustible PEM a partir de celdas de combustible PEM individuales, se pueden seguir los siguientes pasos:
- Determine la potencia de salida deseada y las condiciones de funcionamiento de la pila de celdas de combustible PEM. Esto ayudará a determinar la cantidad y el tamaño de las celdas de combustible necesarias, así como el diseño de los demás componentes.
- Reúna los materiales y el equipo necesarios, incluidas las celdas de combustible, las placas bipolares, los colectores de corriente, el electrolizador PEM y cualquier otro componente necesario.
- Ensamble las celdas de combustible en una pila alternando capas de celdas de combustible con placas bipolares.
- Conecte los colectores de corriente a las celdas de combustible, asegurándose de mantener la polaridad adecuada.
- Conecte la pila de celdas de combustible a las líneas de suministro eléctrico y de gas necesarias, incluidas las alimentaciones de hidrógeno y oxígeno (aire).
- Pruebe y optimice la pila de celdas de combustible para asegurarse de que funcione correctamente y alcance los criterios de rendimiento deseados. Esto implica el ajuste de las condiciones de funcionamiento, los caudales de gas y otros factores.
Es importante considerar cuidadosamente el diseño de la pila de combustible para lograr la eficiencia deseada de la pila de combustible PEM, la potencia de salida y otros criterios de rendimiento. Un diseño y unas pruebas adecuados pueden ayudar a garantizar que la pila de combustible funcione de forma eficaz y fiable a lo largo de su vida útil.
Ejemplo: Pila de combustible PEM
Diseño del sistema
Un sistema de pila de combustible PEM consta de una pila de combustible, así como de componentes y equipos adicionales necesarios para suministrar el combustible y el oxígeno, controlar las condiciones de funcionamiento y gestionar la producción eléctrica. A continuación se muestra una tabla en la que se describen los componentes necesarios para un sistema de pila de combustible PEM que produce electricidad y un sistema de electrólisis PEM que produce hidrógeno:
| Componentes de un sistema de pila de combustible PEM (Producción de electricidad) | Componentes de un sistema de electrólisis PEM (producción de hidrógeno) |
| Pila de pilas de combustible | Pila de electrolizadores PEM |
| Abastecimiento de hidrógeno gaseoso | Alimentación eléctrica |
| Abastecimiento de oxígeno (aire) | Abastecimiento de agua |
| Intercambiador de calor | Intercambiador de calor |
| Humidificador de gas | Humidificador de gas |
| Batidora de gas | Batidora de gas |
| Inversor | Controlador de electrólisis |
| Batería | Almacenamiento de hidrógeno |
Pila de combustible PEM de alta temperatura
El diseño estándar de la pila de combustible PEM se conoce, de hecho, como “LT-PEMFC”, que significa “Pila de combustible de membrana de intercambio protónico de baja temperatura”. Si bien el funcionamiento a bajas temperaturas es deseable, esto requiere un alto grado de pureza del combustible de hidrógeno del 99,9%, por lo que un aparato elaborado para la purificación del combustible de hidrógeno es un requisito previo para obtener realmente tales características de funcionamiento deseables.
Esto ha llevado recientemente al desarrollo de pilas de combustible HT-PEM, es decir, pilas de combustible PEM de alta temperatura, que ofrecen una mayor resistencia a las impurezas del combustible de hidrógeno. La principal diferencia con la tecnología LT-PEM es el tipo de membrana utilizada, que está hecha de un polímero resistente a los ácidos y a la temperatura. Por lo general, se utiliza polibenzimidazol (PBI). Éste tiene la capacidad de absorber ácido fosfórico, que se utiliza como electrolito. Como tal, la tecnología de pila de combustible HT-PEM es similar al diseño de la pila de combustible de ácido fosfórico (PAFC), siendo la principal diferencia el tipo de membrana utilizada.
Como resultado, la pila de combustible HT-PEM puede alimentarse utilizando gas reformado con una concentración de hidrógeno de entre el 50 % y el 75 %. Además, la tecnología HT-PEM no es tan sensible a las concentraciones de monóxido de carbono y puede funcionar con un contenido de CO en el gas reformado de hasta el 3 Vol %.
Casos prácticos
Las pilas de combustible de hidrógeno MEP tienen una amplia gama de aplicaciones potenciales:
- Generación de energía portátil: una pila de combustible PEM se puede utilizar para alimentar dispositivos electrónicos portátiles, como computadoras portátiles y teléfonos celulares.
- Transporte: las pilas de combustible PEM de hidrógeno se pueden utilizar para alimentar vehículos, incluidos automóviles, autobuses, trenes y barcos.
- Energía de respaldo: las pilas de combustible PEM se pueden utilizar como fuente de energía de respaldo para hogares, empresas y otros tipos de infraestructuras.
- Energía remota: el diseño de la pila de combustible PEM es adecuado para su uso como fuente de energía en ubicaciones remotas que no están conectadas a la red eléctrica.
Criterios de rendimiento de las pilas de combustible PEM
Existen cuatro criterios de rendimiento clave que deben tenerse en cuenta a la hora de evaluar el rendimiento de una pila de combustible PEM, es decir, la densidad de potencia, la eficiencia, el tiempo de respuesta y la durabilidad.
- Densidad de potencia: cantidad de potencia que se puede generar por unidad de superficie de la pila de combustible. Una mayor densidad de potencia significa que la pila de combustible puede producir más potencia en un tamaño menor.
- Eficiencia: porcentaje de la energía química del combustible que se convierte en energía eléctrica. Una mayor eficiencia significa que se pierde menos energía en forma de calor u otros subproductos. La eficiencia del electrolizador PEM es muy importante en este sentido.
- Tiempo de respuesta: tiempo que tarda la pila de combustible en alcanzar su potencia máxima de salida después de activarse. Un tiempo de respuesta más rápido significa que la pila de combustible puede responder rápidamente a los cambios en la demanda.
Durabilidad: vida útil de la pila de combustible y su capacidad para mantener su rendimiento a lo largo del tiempo.
¿Cómo evitar la degradación de las pilas de combustible PEM?
Hay varios requisitos técnicos que deben tenerse en cuenta para evitar la degradación y mantener una alta eficiencia en una pila de combustible PEM. Estos factores se mencionan a continuación.
- Condiciones de funcionamiento: las celdas de combustible PEM funcionan mejor dentro de un rango específico de temperatura y humedad. Es importante mantener estas condiciones para evitar la degradación y mantener la eficiencia.
- Pureza del gas: una celda de combustible de hidrógeno PEM requiere gas hidrógeno de alta pureza para funcionar de manera eficaz. Las impurezas en el gas hidrógeno pueden provocar degradación y reducir la eficiencia.
- Gestión del agua: una celda de combustible PEM produce agua como subproducto de la reacción química, y es necesaria una gestión adecuada del agua para evitar la degradación y mantener la eficiencia. Esto incluye garantizar que la celda de combustible tenga suficiente acceso al agua y eliminar el exceso de agua del sistema.
- Calidad de la membrana: la membrana de intercambio de protones (PEM) es un componente crítico de la celda de combustible, y es importante utilizar materiales de alta calidad y mantener una manipulación y almacenamiento adecuados para evitar la degradación.
Última actualización: 15.02.2023