- ¿Qué es el voltaje de celda y por qué es fundamental supervisar cada celda individual en una pila de combustible de hidrógeno o un electrolizador?
- ¿Por qué son importantes las mediciones de voltaje positivo y negativo en las pilas de hidrógeno, especialmente durante el apagado o el arranque?
- ¿Cuáles son las diferencias técnicas entre los sistemas de captación de voltaje de celda con cable y sin cable?
- ¿Qué características de seguridad deben incluirse en los sistemas de monitorización de voltaje para pilas de hidrógeno?
¿Qué es el voltaje de celda y por qué es fundamental supervisar cada celda individual en una pila de combustible de hidrógeno o una pila electrolítica?
El voltaje de celda de una pila de combustible viene determinado por la diferencia entre los potenciales electroquímicos del ánodo y el cátodo. Estos fenómenos se explican con más detalle utilizando el ejemplo de la pila de combustible PEM. En condiciones ideales, una pila de combustible PEM alcanza un voltaje de aproximadamente 1,23 V. Sin embargo, en la práctica, las pérdidas de activación, la resistencia óhmica y las pérdidas de concentración reducen el voltaje de la célula a entre 0,6 y 0,7 V por célula. Con el tiempo, la degradación del material aumenta estas pérdidas, lo que reduce aún más el voltaje y la eficiencia general. Para comprender mejor el comportamiento de la pila, especialmente durante el arranque y en diversos modos de funcionamiento, se utiliza un dispositivo de monitorización del voltaje de la pila. Esto permite un análisis más profundo del rendimiento de la pila y favorece el desarrollo de estrategias de funcionamiento optimizadas y una mayor eficiencia a largo plazo.
La monitorización individual de cada pila ayuda a detectar los primeros signos de desequilibrio, fallos localizados o puntos calientes. Esto garantiza un rendimiento uniforme en toda la pila, lo que prolonga la vida útil y la fiabilidad del sistema.
¿Por qué son importantes las mediciones de voltaje positivo y negativo en las pilas de hidrógeno, especialmente durante el apagado o el arranque?
Durante el apagado de una pila de combustible, una distribución desigual del hidrógeno o un retraso en la purga de gas inerte pueden provocar una inversión local del voltaje de la pila, y las pilas individuales pueden comportarse temporalmente como electrolizadores. En la electrólisis PEM, si el apagado se produce sin una interrupción controlada de la corriente y la eliminación del gas, puede producirse una reacción inversa: la pila funciona brevemente como una pila de combustible. Durante el arranque, las pilas también son sensibles a la humidificación asimétrica o al suministro de gas.
Por lo tanto, es esencial supervisar el voltaje de la pila en ambas direcciones. Es la única forma de detectar la inversión de voltaje y las condiciones críticas en una fase temprana. La supervisión bidireccional permite aplicar medidas de protección específicas y garantiza un comportamiento seguro durante el arranque y el apagado.
La inversión de voltaje puede causar una grave degradación de los catalizadores y las membranas. La supervisión bidireccional proactiva evita estos daños y favorece un funcionamiento seguro en condiciones transitorias.
¿Cuáles son las diferencias técnicas entre los sistemas de captación de voltaje de celdas con cable y sin cable?
En las pilas de combustible y de electrólisis, se suele utilizar una versión cableada del sistema de monitorización del voltaje de las celdas (CVM). Estos sistemas se utilizan ampliamente, especialmente en aplicaciones en las que se monitoriza el voltaje de las celdas durante largos periodos de tiempo y las pilas funcionan de forma continua.
Por el contrario, una solución de detección de voltaje de celda está diseñada para un uso flexible y a corto plazo. Es especialmente útil cuando las pilas deben sustituirse con frecuencia por motivos técnicos o económicos. Estas soluciones suelen estar diseñadas a medida, lo que las hace más caras. Sin embargo, el principio de medición subyacente sigue siendo el mismo en ambos casos: el voltaje de la celda se determina midiendo la diferencia de potencial entre el ánodo y el cátodo
Un sistema CVP con CVM integrado ofrece un ahorro potencial en términos de instalación e inversión. El sistema CVP/CVM también se puede cambiar más rápidamente al mantener o sustituir la pila, lo que reduce los costes de mantenimiento y el tiempo de inactividad gracias a una instalación mínima.
¿Qué características de seguridad deben incluirse en los sistemas de monitorización de voltaje para pilas de hidrógeno?
La seguridad es un aspecto fundamental en el diseño de los sistemas de monitorización del voltaje de las celdas (CVM). Para proteger las pilas de combustible o de electrólisis contra sobretensiones y subtensiones, se suelen implementar dos métodos de protección complementarios:
Protección digital mediante el protocolo CAN:
Los límites de tensión se pueden definir en el software a través de la interfaz CAN. Si la tensión de la pila supera o cae por debajo de estos umbrales predefinidos, el sistema puede iniciar respuestas automáticas, como alarmas, apagados controlados u otras acciones de protección a través de la comunicación CAN estandarizada.
Protección analógica mediante salidas de contacto seco:
Además, la mayoría de los sistemas proporcionan salidas de contacto seco basadas en hardware. Estas salidas se activan cuando se superan los límites de tensión, lo que permite respuestas eléctricas directas, como el apagado de la pila o la activación de circuitos de seguridad externos independientes de la lógica del software. Este enfoque de protección de doble capa mejora significativamente la seguridad del sistema y evita daños en las celdas o pilas. La combinación de diagnósticos basados en software con hardware a prueba de fallos garantiza una protección redundante fundamental para los sistemas de energía de hidrógeno de misión crítica, especialmente en entornos industriales o de movilidad.
Contenido aportado por DILICO engineering GmbH
DILICO engineering desarrolla y produce tecnología de medición para la supervisión y el análisis de celdas de electrólisis, pilas de combustible, baterías de flujo redox y baterías. Esto incluye la supervisión del voltaje de las celdas y soluciones de contacto para la captación del voltaje de las celdas, mediciones in situ de la distribución de la corriente y la temperatura, así como mediciones EIS para el análisis del envejecimiento y la evaluación de la gestión operativa. Los bancos de pruebas de electrólisis para la medición y el análisis reproducibles de celdas de electrólisis individuales son otra de las áreas de especialización de DILICO.
