- Principios básicos de un sistema de pilas de combustible
- Componentes de un sistema de pila de combustible
- Criterios clave de rendimiento's
- Atributos técnicos
- Eficiencia del sistema de células de combustible
- Medidas de seguridad
- Calidad del combustible de hidrógeno
- Casos de uso y aplicaciones
- Filosofías de diseño
- Ver el video educativo para aprender las diferencias entre FCEV y EV
Visite sistemas de pilas de combustible de los principales proveedores en nuestro mercado!
El término "sistema de pila de combustible" se utiliza para describir todo el entorno del sistema que se utiliza para que una pila de combustible, o una pila de pilas de combustible, funcione correctamente. Si bien una pila de combustible es un dispositivo que convierte la energía química almacenada en el combustible en electricidad a través de un proceso electroquímico, los diversos sistemas de pilas de combustible que se explican aquí abarcan además todos los implementos que permiten que este proceso se lleve a cabo.
El principio de diseño básico determinará la composición y los componentes utilizados. Por ejemplo, un sistema de pila de combustible de óxido sólido será diferente de un sistema de pila de combustible de peróxido de hidrógeno.
Los sistemas de pilas de combustible se adaptan al caso de uso específico o al escenario de aplicación. Por ejemplo, un sistema de pila de combustible residencial tendrá un aspecto completamente diferente al de un sistema utilizado para integrar la energía de la pila de combustible en un autobús urbano. Esto se debe a que los sistemas de pilas de combustible para viviendas requieren una variedad de implementos diferentes para su funcionamiento y seguridad que, por ejemplo, los utilizados en las soluciones de movilidad de hidrógeno.
Principios básicos de un sistema de pila de combustible
El principio básico de una pila de combustible es la producción de electricidad mediante la reacción controlada del combustible y un oxidante, como el oxígeno o el aire. El sistema de pila de combustible permite que el combustible (normalmente hidrógeno) y el oxidante se suministren a lados opuestos de una pila de combustible, que está formada por una serie de pilas de combustible individuales. Las pilas de combustible están separadas por placas delgadas y conductoras de electricidad, conocidas como placas bipolares. A medida que el combustible y el oxidante fluyen a través de la pila, reaccionan en la superficie de las pilas de combustible para producir electricidad, agua y calor. La electricidad generada por la pila de combustible se recoge mediante electrodos y se conduce a través de cables eléctricos hasta la carga, que se puede utilizar para alimentar una variedad de dispositivos o sistemas. El agua producida por la reacción normalmente se recoge y se recicla de nuevo en el sistema de pila de combustible de hidrógeno, mientras que el calor suele disiparse a través de un sistema de refrigeración para evitar el sobrecalentamiento de las pilas de combustible.
Subsistemas importantes de un sistema de pila de combustible
- Pila de combustible: la pila de combustible es el componente principal del sistema de pila de combustible y es responsable de generar electricidad a través de la reacción electroquímica del combustible y el oxidante. La pila de combustible se compone típicamente de una serie de celdas de combustible individuales, que están separadas por placas bipolares.
- Sistema de suministro de combustible: en los sistemas de pilas de combustible de hidrógeno, el sistema de suministro de combustible es responsable de entregar el combustible a la pila de pilas de combustible. Esto puede incluir un tanque de combustible, una bomba de combustible y un regulador de gas para controlar el flujo y la presión del combustible.
- Sistema de suministro de oxidante: el sistema de suministro de oxidante es responsable de entregar el oxidante (normalmente oxígeno o aire) a la pila de pilas de combustible. Esto puede incluir un compresor de aire, un tanque de oxígeno y un sistema de purificación de aire para eliminar las impurezas del oxidante.
- Sistema de refrigeración: el sistema de refrigeración es responsable de eliminar el exceso de calor generado por la pila de pilas de combustible durante la reacción electroquímica. Esto puede incluir un intercambiador de calor, una bomba y un fluido refrigerante para circular a través de la pila de pilas de combustible.
- Sistema eléctrico: El sistema eléctrico es responsable de recolectar la electricidad generada por la pila de combustible y entregarla a la carga. Esto puede incluir cableado eléctrico, conectores y equipos de acondicionamiento de energía para optimizar la salida eléctrica del sistema de celdas de combustible.
Componentes del sistema de pilas de combustible
Hay cinco componentes principales en un sistema de celdas de combustible: pila de combustible, tanque de combustible, bomba de combustible, regulador de gas y compresor de aire.
- Pila de combustible: la pila de combustible es el componente principal del sistema de pilas de combustible y es responsable de generar electricidad a través de la reacción electroquímica del combustible y el oxidante. La pila de combustible se compone típicamente de una serie de celdas de combustible individuales, que están separadas por placas bipolares.
- Tanque de combustible: el tanque de combustible en los sistemas de pilas de combustible de hidrógeno es responsable de almacenar y entregar el combustible. El tanque de combustible puede ser un tanque de alta presión, un tanque criogénico o un sistema de almacenamiento de estado sólido, según el tipo de sistema y la aplicación específica.
- Bomba de combustible: la bomba de combustible es responsable de entregar el combustible desde el tanque de combustible a la pila de pilas de combustible con el caudal y la presión adecuados. La bomba de combustible puede ser una bomba de alta presión, una bomba criogénica o una bomba de diafragma, según el tipo de aplicación y la aplicación específica.
- Regulador de gas: el regulador de gas es responsable de controlar el flujo y la presión de los gases de combustible y oxidante a medida que ingresan a la pila de pilas de combustible. El regulador de gas puede ser un regulador de alta presión, un regulador criogénico o un controlador de flujo másico, según el tipo de sistema de pilas de combustible y el caso de uso específico.
- Compresor de aire: El compresor de aire es responsable de entregar el oxidante (normalmente oxígeno o aire) a la pila de celdas de combustible.
Ejemplo: Sistema de pila de combustible de Ballard Power Systems
Criterios clave de rendimiento’s
Hay seis criterios de rendimiento clave de un sistema de celdas de combustible de última generación.
- Eficiencia: La eficiencia del sistema de celdas de combustible es una medida de la cantidad de electricidad que genera el sistema en comparación con la cantidad de combustible que se consume. Un sistema de celdas de combustible de última generación debe tener una alta eficiencia, normalmente en el rango del 40-60%.
- Densidad de potencia: La densidad de potencia es una medida de la cantidad de electricidad que el sistema puede generar por unidad de volumen o masa. Un sistema típico debe tener una alta densidad de potencia, normalmente en el rango de 0,5-1,5 kW/L o kW/kg.
- Durabilidad: La durabilidad de un sistema de celdas de combustible es una medida de la capacidad del sistema para soportar el desgaste a lo largo del tiempo. Por lo general, debe tener una alta durabilidad, con una larga vida útil y bajos requisitos de mantenimiento.
- Flexibilidad de combustible: La flexibilidad de combustible es una medida de la capacidad del sistema para funcionar con una variedad de combustibles. Un sistema de celdas de combustible de última generación debe poder funcionar con múltiples combustibles, como hidrógeno, gas natural y biogás.
- Tiempo de respuesta: El tiempo de respuesta es una medida de la rapidez con la que el sistema puede responder a los cambios en la carga o la disponibilidad de combustible. Un tiempo de respuesta rápido, normalmente de unos pocos segundos, es muy deseable.
- Costo: El costo de un sistema de celdas de combustible es un criterio clave de rendimiento, ya que determina la viabilidad económica del sistema. El costo debe ser competitivo, tanto en términos de costos de capital iniciales como de costos operativos continuos.
Atributos técnicos
Los atributos técnicos desempeñan un papel crucial a la hora de comprar e integrar un sistema de pila de combustible. Existen principalmente siete tipos diferentes de atributos que son importantes para un sistema de pila de combustible.
- Tipo de combustible: El tipo de combustible que el sistema está diseñado para utilizar es un atributo técnico importante, ya que determina el sistema de suministro de combustible y la pila de combustible que se requieren. Por ejemplo, un sistema de pila de combustible de hidrógeno requerirá un sistema de suministro de combustible y una pila de combustible diferentes a los de un sistema que funciona con gas natural o biogás.
- Temperatura de funcionamiento: La temperatura de funcionamiento del sistema es un atributo técnico importante, ya que determina el tipo de pila requerido y el tipo de sistema de enfriamiento de la pila de combustible. Por ejemplo, un sistema que funciona a altas temperaturas puede requerir una pila de combustible de óxido sólido y un sistema de enfriamiento más robusto, mientras que un sistema que funciona a bajas temperaturas puede utilizar una pila de combustible de membrana de electrolito de polímero y un sistema de enfriamiento más simple.
- Potencia de salida: La potencia de salida es, por supuesto, un atributo técnico fundamentalmente importante, ya que determina el tamaño y la escala del sistema. La salida puede especificarse en términos de vatios, kilovatios o megavatios, dependiendo del tamaño de la carga que el sistema está destinado a alimentar.
- Tiempo de respuesta: El tiempo de respuesta de un sistema de celdas de combustible es un atributo técnico importante, ya que determina la capacidad del sistema para responder a los cambios en la carga o la disponibilidad de combustible. Un sistema con un tiempo de respuesta rápido puede ser preferible para aplicaciones que requieren una respuesta rápida, como energía de respaldo o reducción de picos.
- Eficiencia: La eficiencia de un sistema de celdas de combustible es un atributo técnico importante, ya que determina la cantidad de electricidad que se puede generar a partir de una cantidad dada de combustible. Un sistema con alta eficiencia puede ser preferible para aplicaciones que requieren un alto nivel de eficiencia de conversión de energía, como energía estacionaria o transporte.
- Durabilidad: La durabilidad de un sistema de celdas de combustible es un atributo técnico importante, ya que determina la capacidad del sistema para soportar el desgaste a lo largo del tiempo. Un sistema con alta durabilidad puede ser preferible para aplicaciones que requieren una larga vida útil o bajos requisitos de mantenimiento.
- Flexibilidad de combustible: La flexibilidad de combustible de un sistema de celdas de combustible es un atributo técnico importante, ya que determina la capacidad del sistema para operar con una variedad de combustibles. Un sistema con alta flexibilidad de combustible puede ser preferible para aplicaciones que requieren la capacidad de operar con múltiples combustibles, como energía de respaldo o sistemas combinados de calor y energía.
Eficiencia del sistema de pilas de combustible
La eficiencia de un sistema de pila de combustible se mide normalmente como la relación entre la salida eléctrica del sistema y la entrada de energía química del combustible. Esto se expresa habitualmente como un porcentaje, donde los porcentajes más altos indican una mayor eficiencia.
Existen varias formas diferentes de medir la eficiencia de un sistema de pila de combustible, es decir, la eficiencia eléctrica bruta, la eficiencia eléctrica neta, la eficiencia de utilización del combustible y la eficiencia energética.
- La eficiencia eléctrica bruta es una medida de la eficiencia de la pila de combustible en sí y se calcula como la relación entre la salida eléctrica de la pila de combustible y la entrada de energía química del combustible.
- La eficiencia eléctrica neta es una medida de la eficiencia general del sistema de pila de combustible, incluidos todos los subsistemas y componentes auxiliares. Se calcula como la relación entre la salida eléctrica del sistema y la entrada de energía química del combustible, menos las pérdidas de energía de los subsistemas y componentes auxiliares.
- La eficiencia de utilización del combustible es una medida de la cantidad de combustible que convierte el sistema y se calcula como la relación entre la salida de energía química de la pila de combustible y la entrada de energía química del combustible.
- La eficiencia energética es una medida de la eficiencia general del sistema de pila de combustible, que incluye tanto la salida eléctrica como la salida de calor del sistema. Se calcula como la relación entre la salida de energía útil (eléctrica y térmica) y la entrada de energía química del combustible.
Es importante tener en cuenta que la eficiencia de un sistema de pilas de combustible puede verse afectada por varios factores, entre ellos el tipo de tecnología de pilas de combustible, la temperatura de funcionamiento, la demanda de carga y la calidad del combustible y del oxidante. Como resultado, la eficiencia medida del sistema puede variar en función de las condiciones de funcionamiento específicas.
Por último, pero no por ello menos importante, todo lo relacionado con la fabricación de un sistema de pilas de combustible también es un factor en el panorama de la eficiencia general. La producción de un sistema de energía de pilas de combustible no debe generar costes mucho más elevados, por ejemplo, debido al uso de materiales exóticos, que los parámetros de eficiencia que probablemente ahorrará el sistema con el tiempo durante su uso. Esto significa que la eficiencia del sistema estará sujeta a diferentes consideraciones, por ejemplo, para sistemas de energía de pilas de combustible estacionarios diseñados para funcionar constantemente, en comparación con, por ejemplo, las aplicaciones de movilidad de hidrógeno que solo funcionan durante períodos comparativamente cortos a lo largo de su vida útil.
Medidas de seguridad
Hay una serie de medidas de seguridad que se suelen tomar en el diseño de un sistema de pila de combustible para garantizar la seguridad de funcionamiento. Estas medidas pueden incluir:
- Las válvulas de alivio de presión se utilizan para evitar la acumulación de una presión excesiva dentro del sistema, lo que podría provocar la rotura de los componentes. Las válvulas de alivio de presión suelen estar diseñadas para abrirse en un umbral de presión específico, lo que permite que el exceso de gas se ventile a la atmósfera.
- La protección contra sobrepresión se utiliza para evitar que el sistema de celdas de combustible funcione a presiones que estén fuera de sus límites de diseño. Esto puede incluir sensores y sistemas de control que controlan la presión dentro del sistema y cortan el suministro de combustible si la presión supera un cierto umbral.
- La detección de fugas de gas se utiliza para detectar y prevenir la liberación de gases peligrosos. Esto puede incluir sensores y alarmas diseñados para detectar la presencia de hidrógeno u otros gases inflamables en el entorno circundante.
- Los enclavamientos de seguridad se utilizan para evitar que el sistema de celdas de combustible funcione si no se cumplen ciertas condiciones de seguridad. Por ejemplo, se puede utilizar un enclavamiento de seguridad para evitar el arranque si el tanque de combustible no está debidamente sellado o si la pila de combustible no está debidamente enfriada.
Calidad del combustible de hidrógeno
La calidad del combustible que se utiliza en un sistema de pila de combustible de hidrógeno puede tener un impacto significativo en el rendimiento del sistema. En general, el hidrógeno de mayor calidad produce un mejor rendimiento, mientras que el hidrógeno de menor calidad puede provocar un rendimiento reducido o incluso daños en el sistema. A continuación se mencionan los factores que pueden afectar a la calidad del combustible de hidrógeno.
- Pureza: La pureza del hidrógeno se refiere a la concentración de impurezas en el gas. Generalmente, se prefiere el hidrógeno de mayor pureza para los sistemas de celdas de combustible, ya que las impurezas pueden interferir con las reacciones electroquímicas que tienen lugar dentro de la pila de combustible.
- Presión: La presión del hidrógeno es un factor importante en el rendimiento de un sistema de celdas de combustible, ya que determina la velocidad a la que el hidrógeno se entrega a la pila de combustible. El hidrógeno a mayor presión puede ser preferible para algunos sistemas, ya que puede aumentar el caudal del gas y mejorar el rendimiento del sistema.
- Temperatura: La temperatura del hidrógeno puede afectar el rendimiento de un sistema de celdas de combustible, ya que determina la energía necesaria para vaporizar el gas y la velocidad a la que el hidrógeno se entrega a la pila de combustible. En algunos sistemas de celdas de combustible, puede preferirse el hidrógeno a mayor temperatura, ya que puede aumentar el caudal del gas y mejorar el rendimiento del sistema.
- Humedad: La presencia de humedad en el hidrógeno puede afectar el rendimiento de un sistema de celdas de combustible, ya que puede interferir con las reacciones electroquímicas que tienen lugar dentro de la pila de combustible. El hidrógeno de alta pureza con bajo contenido de humedad es el preferido para los sistemas de celdas de combustible.
- Contaminantes: la contaminación del combustible de hidrógeno, por ejemplo, con partículas o gases, puede afectar el rendimiento de un sistema de celdas de combustible. El hidrógeno de alta pureza con bajos niveles de contaminantes es el preferido y, en algunos casos, un requisito básico para la funcionalidad.
Para garantizar un rendimiento óptimo, es importante utilizar hidrógeno de alta calidad en un sistema de pila de combustible. Esto puede requerir el uso de sistemas de purificación y secado para eliminar las impurezas y la humedad del hidrógeno, así como sistemas de filtración para eliminar los contaminantes.
Casos de uso y aplicaciones
Los sistemas de pilas de combustible son una tecnología clave en la economía del hidrógeno, ya que ofrecen un medio limpio y eficiente de generar electricidad y calor a partir del hidrógeno. Existe una amplia gama de casos de uso para los sistemas de pilas de combustible en la economía del hidrógeno, que abarcan desde aplicaciones estacionarias, como la generación de energía y los sistemas combinados de calor y electricidad (CHP), hasta aplicaciones móviles, como el transporte y la energía portátil.
a) Aplicaciones estacionarias
Los sistemas de energía estacionarios con pilas de combustible se utilizan normalmente para la generación de energía y en aplicaciones de cogeneración, donde se pueden utilizar para generar electricidad y calor en el lugar para clientes comerciales, industriales y residenciales. Algunos casos de uso estacionarios comunes para sistemas de pilas de combustible incluyen:
- Generación de energía: Los sistemas de celdas de combustible se pueden utilizar para generar electricidad para la red o para el consumo in situ. Esto puede ser particularmente útil para aplicaciones donde se requiere un suministro de energía estable y confiable, como centros de datos, hospitales y otras infraestructuras críticas.
- Sistemas de cogeneración: Los sistemas de celdas de combustible se pueden utilizar para generar tanto electricidad como calor para el consumo in situ, a través de un proceso conocido como cogeneración (CHP). Los sistemas de cogeneración pueden ser particularmente eficientes, ya que pueden capturar el calor que se genera durante el proceso de generación de electricidad y usarlo para calefacción, agua caliente u otros fines.
b) Aplicaciones móviles
Los sistemas de pilas de combustible móviles se utilizan normalmente para aplicaciones de transporte y energía portátil, donde pueden ofrecer una alternativa limpia y eficiente a los combustibles fósiles. Algunos casos de uso móvil comunes para los sistemas de pilas de combustible incluyen:
Filosofías-diseño
La filosofía de diseño de un sistema de pila de combustible dependerá de los requisitos y limitaciones específicos de la aplicación
a)Escalabilidad
Los sistemas de pilas de combustible pueden diseñarse para que sean escalables, es decir, que se puedan modificar o ampliar fácilmente para satisfacer las cambiantes necesidades energéticas. Esto puede ser particularmente útil para aplicaciones en las que la demanda energética es variable o incierta, como en el caso de los sistemas de energía renovable.
b) Modularidad
Los sistemas de pilas de combustible también pueden diseñarse para que sean modulares, es decir, que se puedan componer de componentes más pequeños e intercambiables que se puedan montar y desmontar fácilmente. Esto puede ser útil para aplicaciones en las que el sistema de pilas de combustible deba reubicarse o reutilizarse, ya que permite que el sistema se reconfigure fácilmente.
c) Estandarización:
Los sistemas de pilas de combustible pueden diseñarse para que se estandaricen, es decir, que se basen en principios y componentes de diseño comunes y ampliamente aceptados. Esto puede ayudar a reducir el coste y la complejidad del sistema, ya que permite que el sistema se integre fácilmente con otras tecnologías y equipos.
Al comprender las diferentes filosofías de diseño y seleccionar la más adecuada, los ingenieros de pilas de combustible pueden ayudar a optimizar el rendimiento y la rentabilidad del sistema de pilas de combustible. La filosofía de diseño tiene una relevancia específica en lo que respecta a la integración del sistema de pilas de combustible en una infraestructura global de suministro de combustible y energía. Por ejemplo, un sistema híbrido de pilas de combustible y baterías se utiliza para incorporar una función de reserva para energía renovable o cuando se utilizan sistemas de recuperación de energía. Esto se aplica específicamente a la combinación de tecnología de hidrógeno y pilas de combustible al diseñar pilas de combustible de energía renovable.
Ver el video educativo para aprender las diferencias entre FCEV y EV
Última actualización: 14.07.2023
- Transporte: Los sistemas de pilas de combustible se pueden utilizar para impulsar vehículos, incluidos automóviles, autobuses, trenes y camiones. Los vehículos de pilas de combustible ofrecen varias ventajas sobre los vehículos tradicionales de gasolina o diésel, incluidas menores emisiones, mayor autonomía y tiempos de reabastecimiento más rápidos.
- Energía portátil: Los sistemas de pilas de combustible también se pueden utilizar para proporcionar energía portátil para una amplia gama de aplicaciones, incluidas las militares, los servicios de emergencia y las actividades recreativas. También ofrecen varias ventajas sobre los generadores de gasolina tradicionales, incluidas menores emisiones, tiempos de funcionamiento más prolongados y un funcionamiento más silencioso.