Filtros de aire catódico para pilas de combustible - Información y métodos de selección
Los esfuerzos medioambientales mundiales y las iniciativas para reducir la dependencia de los combustibles fósiles promueven oportunidades de soluciones energéticas alternativas y viables. La tecnología de pilas de combustible de hidrógeno, que utiliza el oxígeno del aire ambiente filtrado y el hidrógeno almacenado para crear electricidad, ha alcanzado una notable presencia en el mercado.
Membrana de intercambio de protones (PEM) Las pilas de combustible de hidrógeno son un medio atractivo para obtener energía, ya que los únicos subproductos son calor y agua. Por lo tanto, esta tecnología de pilas de combustible tiene cero emisiones nocivas y ofrece una opción muy ecológica y sostenible para generar energía.
En la valiosa búsqueda para maximizar la eficiencia del sistema, cada componente requiere análisis y optimización. Las pilas de combustible PEM constan de tres componentes principales: el ánodo, el cátodo y el electrolito. El aire atmosférico o "aire catódico" fluye por el lado del cátodo de la pila de combustible y el hidrógeno fluye por el lado del ánodo de la pila de combustible. La reacción electroquímica resultante produce una corriente eléctrica que puede aprovecharse para producir energía. Es esencial maximizar la pureza del aire del cátodo para optimizar una pila de combustible PEM.
Las aplicaciones de las pilas de combustible pueden clasificarse en móviles y no móviles. Las aplicaciones móviles consisten sobre todo en vehículos más grandes, como autobuses y camiones de transporte. Las aplicaciones no móviles, o estáticas, consisten sobre todo en la producción de energía a pequeña o gran escala para instalaciones comerciales o industriales. La energía generada puede utilizarse inmediatamente o almacenarse en una batería para su uso futuro. Solberg ofrece soluciones de filtración para aplicaciones móviles y estáticas en todo el mundo.
¿Por qué necesitan protección y filtración las pilas de combustible?
Antes de la producción a mayor escala, la mayoría de las pilas de combustible se desarrollan en laboratorios con condiciones de aire relativamente limpias e ideales. Sin embargo, las aplicaciones del mundo real, especialmente los despliegues móviles, se ven sometidos con frecuencia a duras condiciones ambientales de funcionamiento que plantean retos únicos en lo que respecta al suministro de aire limpio y a un rendimiento fiable.
Existen muchos estándares, normas y pruebas de filtración que se aplican en función del segmento de mercado y la ubicación geográfica. Los requisitos de filtración de partículas y adsorción varían globalmente según las preferencias del fabricante de pilas de combustible. Los fabricantes de pilas de combustible suelen especificar el tamaño de partículas permitido y determinadas concentraciones máximas de componentes en suspensión en el aire. Las normas aceptadas para este mercado incluyen ISO11155-1 e ISO11155-2 (anteriormente DIN 71460.) ISO11155-1 se refiere a las pruebas de tamaño de partículas e ISO11155-2 aborda la cuantificación del rendimiento de adsorción de los constituyentes.
El dimensionamiento adecuado de un sistema de filtración empieza por la selección del medio o medios permeables apropiados. La figura 1 muestra el concepto básico de la filtración por medios permeables.
Figura 1
Las empresas de filtración utilizan distintos materiales para lograr diversos objetivos de filtración. La filtración de partículas se consigue utilizando diversos medios no tejidos y configuraciones.
Tabla 1
¿Qué componentes presentes en el aire pueden dañar una pila de combustible?
La adsorción de los componentes transportados por el aire es una prioridad entre algunos fabricantes de pilas de combustible. Para ello se utiliza la tecnología de adsorción de carbón. La terminología varía según los distintos sectores y en todo el mundo, pero el término más común es "tecnología de carbón activado". En general, el carbón activado se integra con medios de filtración (indicados anteriormente en la Tabla 1). También puede utilizarse solo en forma granular, para lograr la adsorción de componentes no deseados (que se muestran en la Tabla 2).
Tabla 2
La filtración por carbón activado suele someterse a pruebas de terceros para verificar los índices de adsorción de acuerdo con las normas ISO mencionadas anteriormente u otras normas "locales".
Suministro de aire limpio a las pilas de combustible
La mayoría de las pilas de combustible utilizan un soplador para aspirar el aire atmosférico y enviarlo al cátodo (ver Figura 2). Muchos diseños estándar de filtros de admisión y filtros de aire en línea para equipos industriales de movimiento de aire son adecuados para aplicaciones de filtración de pilas de combustible. Los filtros plegados son el estándar del sector porque su diseño compacto maximiza la superficie disponible, lo que contribuye a un rendimiento óptimo y a prolongar la vida útil de los elementos. Una configuración típica del elemento es cilíndrica con flujo de aire de fuera a dentro.
Figura 2
Es importante considerar la optimización de todo el sistema a la hora de seleccionar la superficie y el tamaño de un filtro. Desde el punto de vista del rendimiento, un elemento filtrante se carga de partículas que, con el tiempo, restringen gradualmente el flujo de aire y reducen la eficacia del adsorbente. El aumento de la presión diferencial a través del elemento filtrante reducirá finalmente el suministro de aire y privará al cátodo de los niveles de oxígeno necesarios. Proporcionar una superficie adecuada para tener en cuenta la carga de polvo prevista (en función del entorno de funcionamiento y del cumplimiento de los requisitos de la curva de flujo del soplador) es fundamental para proporcionar a la pila de combustible el aire limpio necesario para producir energía de forma eficiente. Una vez seleccionado el tipo de medio filtrante, el flujo necesario determinará el tamaño del elemento filtrante en función de la superficie requerida.
La última etapa del proceso de diseño consiste en elegir una carcasa que aloje el filtro o filtros. La carcasa del filtro está diseñada para funcionar con el espacio disponible del fabricante de la pila de combustible y proporcionar el tamaño y tipo de conexión adecuados.
Solberg fabrica la carcasa y los elementos filtrantes como una solución completa para el mercado de las pilas de combustible y utiliza diversas combinaciones patentadas de medios plisados para conseguir la filtración de partículas y adsorción requerida.
Mantenimiento del filtro de aire de la pila de combustible
La filtración en estos sistemas requiere un control rutinario y el mantenimiento de los elementos filtrantes. Se recomienda monitorizar la presión diferencial del rendimiento de la pila de combustible. La presión diferencial y, si procede, la capacidad de adsorción, determinarán los intervalos de servicio del elemento filtrante. Además, los sensores de humedad han demostrado ser una forma aceptable de observar la capacidad de adsorción restante de un filtro a lo largo del tiempo.
Conclusión
A medida que los fabricantes de pilas de combustible tratan de desarrollar sistemas de pilas de combustible altamente eficientes y duraderos, la especificación del equipo industrial de movimiento de aire adecuado y la filtración requerida impulsan la necesidad de colaborar con especialistas en filtración. Los ingenieros de pilas de combustible favorecen las altas tasas de eficiencia para partículas de micras más pequeñas, y las tecnologías de filtración por adsorción para proporcionar aire limpio y libre de contaminantes a la pila de combustible. Como resultado, los proveedores de filtración deben desarrollar y suministrar diseños altamente eficientes, compactos y económicos.
Solberg cuenta con la experiencia necesaria para suministrar productos de filtración probados e innovadores para proyectos de desarrollo de pilas de combustible. Estamos bien posicionados para responder a las necesidades del mercado con nuestras soluciones estándar, configuradas y personalizadas.