Filtros de Ar Catódico para Células a Combustível – Informação e Métodos de Seleção
Esforços ambientais globais e iniciativas para diminuir a dependência de combustíveis fósseis promovem oportunidades para soluções energéticas alternativas e viáveis. A tecnologia de célula de combustível de hidrogênio, que utiliza o oxigênio no ar ambiente filtrado e hidrogênio armazenado para criar eletricidade, alcançou uma participação de mercado notável.
As células a combustível de hidrogênio de membrana de troca de prótons (PEM) são um meio atraente para a geração de energia, pois os únicos subprodutos são o calor e a água. Portanto, essa tecnologia de célula de combustível tem zero emissão de carbono e fornece uma opção muito ecológica e sustentável para a geração de energia.
Na busca válida para maximizar a eficiência do sistema, cada componente requer análise e otimização. As células a combustível PEM consistem em três componentes principais: o ânodo, o cátodo e o eletrólito. O ar atmosférico ou "ar catódico" flui através do lado catódico da célula de combustível e o hidrogênio flui através do lado do ânodo da célula de combustível. A reação eletroquímica resultante produz uma corrente elétrica que pode ser aproveitada e usada para energia. Maximizar a pureza do ar para o cátodo é essencial para otimizar uma célula de combustível PEM.
As aplicações para células de combustível geralmente podem ser classificadas como móveis e não móveis. Os aplicativos móveis consistem principalmente em veículos maiores, como ônibus de transporte e caminhões. As aplicações não móveis, ou estáticas, consistem principalmente na produção de energia em pequena a grande escala para locais comerciais ou industriais. A energia gerada pode ser usada imediatamente ou armazenada em uma bateria para uso futuro. A Solberg fornece soluções de filtragem para aplicações móveis e estáticas em todo o mundo.
Por que as células de combustível precisam de proteção e filtragem?
Antes da produção em larga escala, a maioria das células de combustível é desenvolvida em laboratórios com condições de ar relativamente limpas e ideais. No entanto, as aplicações do mundo real, especialmente as implantações móveis, são frequentemente submetidas a condições operacionais ambientais adversas que apresentam desafios únicos em relação ao fornecimento de ar limpo e desempenho confiável.
Existem muitos padrões, normas e testes de filtração que são aplicados dependendo do segmento de mercado e localização geográfica. Os requisitos para filtração de partículas e adsortivos variam globalmente, dependendo da preferência do fabricante da célula de combustível. Os fabricantes de células de combustível normalmente especificam as tolerâncias de tamanho de partículas e certas concentrações máximas de constituintes transportados pelo ar. As normas aceitas para este mercado incluem ISO11155-1 e ISO11155-2 (anteriormente DIN 71460). ISO11155-1 refere-se ao teste de tamanho de partículas e ISO11155-2 aborda a quantificação do desempenho de adsorção de constituintes.
O dimensionamento adequado de um sistema de filtragem começa selecionando o meio ou meio permeável apropriado. A Figura 1 demonstra o conceito básico de filtração de meios permeáveis.
Figura 1
As empresas de filtragem utilizam diferentes materiais para atingir vários objetivos de filtragem. A filtração de partículas é obtida usando vários meios e configurações de não tecidos.
Quadro 1
Quais contaminantes transportados pelo ar podem prejudicar uma célula de combustível?
A adsorção de contaminantes transportados pelo ar é uma prioridade entre alguns fabricantes de células de combustível. Isso é realizado usando a tecnologia de adsorção de carbono. A terminologia varia entre diferentes indústrias e ao redor do mundo, no entanto, o termo de referência mais comum é a tecnologia de "carvão ativado". Em geral, o carvão ativado é integrado aos meios de filtração (listados acima na Tabela 1). Ele também pode ser usado sozinho na forma granular, para conseguir a adsorção de constaminantes indesejados (mostrado abaixo na tabela 2).
Tabela 2
A filtragem de carvão ativado é comumente testada para verificar as classificações de adsorção de acordo com as normas ISO mencionadas anteriormente ou outras normas "locais".
Fornecimento de ar limpo para células de combustível
A maioria das células de combustível utiliza um soprador para puxar o ar atmosférico e entregá-lo ao cátodo (ver Figura 2). Muitos projetos de admissão e filtro de ar em linha para equipamentos industriais de movimentação de ar são adequados para aplicações de filtração de célula de combustível. Os filtros plissados são o padrão da indústria porque o design compacto maximiza a área de superfície disponível, o que contribui para o desempenho ideal e a vida útil prolongada do elemento. Uma configuração típica de elemento é cilíndrica com fluxo de ar de fora para dentro.
Figura 2
É importante considerar a otimização de todo o sistema ao selecionar a área de superfície e o tamanho de um filtro. De uma perspectiva de desempenho, um elemento filtrante será carregado com partículas que gradualmente restringem o fluxo de ar ao longo do tempo e reduzem a eficácia do adsorvente. O aumento do diferencial de pressão através do elemento filtrante acabará por reduzir a entrega de ar e privar o cátodo dos níveis de oxigênio necessários. Fornecer área de superfície adequada para dar conta do carregamento de poeira previsto (com base no ambiente operacional e atendendo aos requisitos da curva operacional do soprador) é fundamental para fornecer à célula de combustível o ar limpo necessário para produzir energia com eficiência. Depois que o tipo de meio filtrante for selecionado, o requisito de taxa de fluxo determinará o tamanho do elemento de filtro necessário com base na área de superfície necessária.
A etapa final no processo de projeto é a escolha de uma carcaça que contenha o(s) filtro(s). A carcaça do filtro foi projetada para trabalhar com a área do fabricante da célula de combustível e fornecer o tamanho e o tipo de conexão apropriados.
A Solberg fabrica a carcaça e os elementos filtrantes como uma solução completa para o mercado de células de combustível e utiliza várias combinações proprietárias de meios plissados para obter a filtragem de partículas e adsorção necessária.
Manutenção de um filtro de ar de célula de combustível
A filtragem nesses sistemas requer monitoramento e manutenção de rotina dos elementos filtrantes. Recomenda-se o monitoramento de pressão diferencial do desempenho da célula de combustível. A pressão diferencial e, se aplicável, a capacidade de adsorção, determinarão os intervalos de manutenção do elemento filtrante. Além disso, os sensores de umidade provaram ser uma maneira aceitável de observar a capacidade de adsorção restante de um filtro ao longo do tempo.
Conclusão
À medida que os fabricantes de células de combustível procuram desenvolver sistemas de células de combustível altamente eficientes e duradouros, a especificação do equipamento de movimentação de ar industrial certo e a filtragem necessária impulsionam a necessidade de colaboração com especialistas em filtragem. Os engenheiros de células de combustível favorecem altas taxas de eficiência para partículas e tecnologias de filtragem por adsorção para fornecer ar limpo e livre de contaminantes para a célula de combustível. Como resultado, os fornecedores de filtragem devem desenvolver e fornecer projetos altamente eficientes, compactos e econômicos.
A Solberg tem a experiência para fornecer produtos de filtragem comprovados e inovadores para projetos de desenvolvimento de células de combustível. Estamos bem posicionados para responder às necessidades do mercado com nossas soluções padrão, configuradas e personalizadas.