Las pilas de combustible de hidrógeno son una alternativa limpia y ecológica a los procesos de combustión tradicionales. Si bien esta tecnología es muy prometedora, es necesario mejorar la eficiencia de los procesos para que sean realmente viables como fuente de energía alternativa. La regulación precisa y adaptativa de las presiones del sistema y el flujo másico de las líneas de gas pueden marcar la diferencia en el desarrollo de un sistema eficiente de pilas de combustible de hidrógeno.

En este artículo, describimos diversas tecnologías de medición en aplicaciones de celdas de combustible y discutimos cómo se emplean los dispositivos de flujo másico y presión para optimizarlas.

Aplicación 1: Generación de hidrógeno - Prueba y regulación del sistema de electrolisis

La electrólisis es un método prometedor de generación de hidrógeno verde, que descompone las moléculas de agua en hidrógeno y oxígeno. Existen algunos desafíos en el proceso de electrólisis actual, desde la entrada de energía variable de fuentes de energía renovables hasta la búsqueda continua de reducciones de costes.

Los bajos ratios de caudal y las altas temperaturas del agua utilizadas en la electrólisis dificultan las pruebas y la regulación precisa del sistema. El empleo de tecnologías de flujo másico que sean capaces de medir caudales bajos con alta precisión en condiciones de alta temperatura puede garantizar el éxito de su proceso. Los caudalímetros másicos Coriolis son capaces de medir y controlar caudales de flujo másico de hasta 0.08 g / h a temperaturas de hasta 70° C.

Asegurar la eficiencia de la electrólisis también requiere un control de presión rápido y sensible para mantener las presiones diferenciales equilibradas entre el oxígeno y el hidrógeno. Dependiendo de la escala del proceso y los métodos utilizados, factores como las altas temperaturas, presiones y humedad del gas pueden hacer que este control de presión sea un poco complicado. El empleo de reguladores de contrapresión de orificios múltiples permite regular la presión del sistema del electrolizador en un amplio rango de presiones (rangeabilidad de 10.000: 1) sin verse afectado por la humedad.

Figura 1. Uso de controladores Alicat para la regulación y las pruebas de generación de hidrógeno por electrólisis

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Aplicación 2: Pruebas en pilas de combustible de hidrógeno

Disponer de una instrumentación rápida y precisa en todo el sistema de celdas de combustible facilita mucho la realización de pruebas y diagnósticos de celdas de combustible PEM. Contar con equipos con una alta rangeabilidad permite escalar fácilmente los procesos a lo largo del desarrollo de la pila de combustible.

La regulación de las proporciones y distribuciones de oxidantes y reactivos a través de las capas de difusión de gas de las pilas es clave para mantener la eficiencia de la tecnología de las pilas de combustible de hidrógeno, lo que hace que la regulación de flujo fiable y con una respuesta rápida sea un activo invaluable para los bancos de prueba de celdas de combustible.

Cuando las condiciones del proceso incluyen altas presiones y bajos caudales, un controlador de flujo másico Coriolis es la opción más fiable y de más alta precisión. Para caudales más altos, en las entradas y salidas de la línea principal se puede utiliz un controlador de caudal másico de presión diferencial para monitorizar tanto la presión como el caudal másico simultáneamente en una amplia gama de caudales.

También es importante mantener un estricto control de la contrapresión, que puede resultar difícil en entornos con alta temperatura, alta humedad y condensación. Al igual que en la electrólisis, un regulador de contrapresión de orificios múltiples es muy adecuado para mantener las condiciones de reacción ideales en los sistemas de celdas de combustible, lo que permite la regulación de la presión hasta 0.0001 PSIG en la mayoría de las condiciones de prueba.

También ofrecemos medidores de flujo másico de presión diferencial de acero inoxidable que brindan lecturas de flujo másico rápidas y precisas, y que no se ven afectados por la humedad que pasa a través de ellos.

Figura 2. Uso de las soluciones de Alicat para la prueba y optimización del sistema de celdas de combustible

Un desafío adicional es regular la temperatura en toda la pila para mantener una tasa constante de distribución de energía, donde una regulación incorrecta puede causar pérdidas de eficiencia e incluso daños a los elementos de la pila. Este control se vuelve cada vez más difícil a medida que aumenta el número de células. La incorporación de controladores de flujo másico de presión diferencial con tiempos de respuesta inferiores a 50 ms y rangeabilidades de 10.000: 1 puede garantizar una regulación de temperatura rápida y estable.

La humidificación es igualmente importante para garantizar una conductividad de protones eficiente a través de la capa de electrolito, ya que un exceso o déficit de agua puede afectar en gran medida la eficiencia de la celda de combustible.

Aplicación 3: Estaciones de prueba de pilas de combustible - Comprobaciones de fugas y pruebas de permeabilidad de membranas

Los sistemas de verificación de fugas en celdas de combustible, especialmente las pruebas de permeabilidad y fugas de membranas, son vitales para garantizar tasas de flujo consistentes, mantener la eficiencia del proceso y minimizar la pérdida de reactivos como metales pesados ​​de alto valor en las capas del catalizador de los conjuntos de electrodos de membrana.

Esto puede ser particularmente complejo en sistemas de celdas de combustible de mayor volumen donde las pruebas de procesos de múltiples etapas pueden provocar picos de flujo durante el proceso de prueba.

Los sistemas de verificación de fugas se componen típicamente de dos elementos. El primero es un controlador de presión de doble válvula que realiza mediciones cada 30 ms y asegura que el elemento bajo prueba permanezca a una presión establecida, mientras minimiza el uso de He. Este equipo incorpora un ajuste de PID altamente sensible y la funcionalidad de rampa del punto de ajuste, lo que ayuda a proteger la membrana de picos de flujo durante la prueba.

El segundo elemento es un caudalímetro másico de baja pérdida de carga, capaz de caracterizar las fugas más leves con una caída de presión de tan solo 4.8 mbar a fondo de escala.

Estos dos equipos se pueden controlar desde un PC / PLC utilizando alguno de los múltiples protocolos de comunicación disponibles, para facilitar la automatización y el análisis de datos.

Figura 3. Configuración de verificación de fugas del sistema de celda de combustible

Aplicación 4: Regulación en la pila de combustible de hidrógeno

Una vez que se han establecido las relaciones óptimas de gas, los índices de flujo, la presión y las temperaturas, los equipos de Alicat se pueden usar para regular y monitorizar sus sistemas de celdas de combustible terminados.

Los controladores de presión se pueden utilizar, en combinación con sensores externos, para regular la presión aguas arriba de la posición del sensor. En líneas de alta temperatura y humedad, también se pueden emplear sensores remotos y válvulas para regular la presión.

Los tiempos de respuesta rápidos y la rangeabilidad de hasta 10.000: 1 aseguran que los controladores de presión y flujo másico puedan controlar con precisión el flujo de hidrógeno en los sistemas de precalentamiento y mantener la eficiencia del sistema de celdas de combustible. Mientras tanto, un regulador de contrapresión de múltiples orificios controla la salida de gases de escape.

Figura 4. Uso de controladores Alicat para la regulación y supervisión del sistema de pilas de combustible

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