Pila pem

Tipos de pilas de PEM

Una pila de PEM es una celda de combustible diseñada para producir electricidad mediante el uso de una membrana electrolítica de polímero. Existen varios tipos de pilas de PEM, y cada una de ellas tiene características y aplicaciones únicas. A continuación se presentan algunas de ellas:

• Pila de Celda de Combustible de Hidrógeno

  Este es el tipo más común de celda de combustible de PEM. Utiliza hidrógeno como combustible. El gas hidrógeno se introduce en el lado del ánodo de la celda. Se divide en protones y electrones debido a la reacción con el catalizador de platino. Los protones atraviesan la membrana polimérica hacia el lado del cátodo, mientras que los electrones viajan a través de un circuito externo, creando una corriente eléctrica. En el cátodo, los protones, electrones y oxígeno (del aire) reaccionan para formar agua y calor como subproductos.

• Celda de Combustible de Metanol Directo (DMFC)

  Una DMFC es un tipo de celda de combustible de PEM que utiliza metanol como combustible. Es adecuada para aplicaciones en las que el combustible líquido es más práctico que el hidrógeno. La reacción en el ánodo en una DMFC involucra metanol y agua. La celda también produce protones, electrones, dióxido de carbono y calor. El resto de la operación es similar al de otras celdas de combustible de PEM. También utiliza una membrana polimérica para conducir protones desde el ánodo hasta el cátodo, donde reaccionan con oxígeno para producir agua y calor.

• Pila de Celda de Combustible Reformado

  Estas pilas de celda de combustible de PEM utilizan gases reformados. Los procesadores de combustible convierten gas natural u otros hidrocarburos en mezclas de gas ricas en hidrógeno. Estas mezclas suelen contener monóxido de carbono, que puede envenenar el catalizador. Se requieren catalizadores especiales o sistemas de limpieza de CO para mitigar este efecto. El gas reformado se introduce en la celda de combustible. La operación es similar a la de una celda de combustible de hidrógeno.

• Celda de Combustible PEM de Alta Temperatura

  Este tipo de celda de combustible de PEM opera a temperaturas superiores a 120°C. Utiliza una membrana diferente, como Nafion, que puede funcionar a temperaturas más altas. La mayor temperatura mejora la cinética de la reacción y la tolerancia al CO en el combustible. Además, permite un rango más amplio de combustibles. Sin embargo, la alta temperatura de operación puede aumentar la tasa de degradación de los componentes de la celda. Esto requiere un mantenimiento y reemplazo más frecuentes.

• Pila de Celda de Combustible Híbrida

  La pila de celdas de combustible híbridas combina celdas de combustible de PEM con baterías. La batería almacena energía y la suministra cuando la demanda de carga supera la salida de la celda de combustible. La batería también ayuda en situaciones donde la salida de la celda de combustible es baja. Este enfoque híbrido mejora la respuesta del sistema a los cambios de carga y mejora la eficiencia general. También aumenta la vida útil de la celda de combustible al reducir su carga y rango de operación.

Diseño de la pila de PEM

El diseño de una pila de celda de combustible PEM implica varios componentes clave y consideraciones para asegurar la conversión de energía de hidrógeno y oxígeno en electricidad de manera eficiente y efectiva, con agua y calor como subproductos. Aquí hay un resumen de los principales elementos de diseño:

• Conjunto de Membrana y Electrodo (MEA)

  El MEA es el corazón de la celda de combustible de PEM. Consiste en una membrana de intercambio de protones (PEM) intercalada entre dos electrodos: el ánodo y el cátodo. El lado del ánodo del MEA es donde se suministra el gas hidrógeno. Aquí, las moléculas de hidrógeno se dividen en protones y electrones debido a un catalizador (generalmente platino). Los protones atraviesan el PEM hacia el lado del cátodo, mientras que los electrones viajan a través de un circuito externo, creando una corriente eléctrica. En el cátodo, el oxígeno (del aire) se combina con los protones y electrones para formar agua.

• Placas de Campo de Flujo

  Las placas de campo de flujo se sitúan a ambos lados del MEA. Cumplen varias funciones, como distribuir de manera uniforme los gases reactantes (hidrógeno y oxígeno) a través de los electrodos, recoger el agua producida para evitar inundaciones, y proporcionar soporte mecánico a la pila. Las placas también incluyen canales o surcos grabados en sus superficies para facilitar el flujo de gas y la gestión del agua.

• Sistemas de Suministro de Gas y Escape

  Estos sistemas gestionan el suministro de hidrógeno y oxígeno a la celda de combustible y la eliminación de gases no reaccionados y vapor de agua. El hidrógeno se almacena típicamente en tanques a alta presión o se genera en el sitio a partir de hidrocarburos utilizando reformadores. El aire (o oxígeno puro) se suministra a través de filtros para eliminar impurezas que podrían envenenar el catalizador.

• Sistema de Gestión Térmica

  Las celdas de combustible de PEM operan dentro de un rango de temperatura específico (generalmente de 60 a 80 grados Celsius). Un sistema de gestión térmica asegura que la pila mantenga temperaturas de operación óptimas al eliminar el exceso de calor generado durante la reacción electroquímica. Este sistema puede usar métodos de refrigeración líquida o de aire, dependiendo de la aplicación y el tamaño de la celda de combustible.

• Assemblaje y Configuración de la Pila

  Una pila de celda de combustible de PEM consiste en múltiples MEAs apiladas, separadas por placas de campo de flujo. Este diseño aumenta la salida de voltaje y potencia mientras mantiene la eficiencia de las MEAs individuales. La pila está encerrada en una carcasa robusta que proporciona soporte estructural y protege los componentes internos de factores ambientales.

• Componentes del Balance de Planta (BOP)

  El BOP incluye todos los sistemas y componentes auxiliares necesarios para el funcionamiento eficiente y seguro de la celda de combustible. Esto incluye bombas, compresores, sensores, sistemas de control y mecanismos de seguridad. El BOP asegura una correcta gestión del gas, monitoriza el rendimiento de la pila y mantiene las condiciones de operación dentro de límites especificados.

Sugerencias sobre el uso/compatibilidad de la pila de PEM

Cómo Usar

• Utilizar una pila de celda de combustible de PEM (Membrana Electrolítica de Polímero) requiere una cuidadosa consideración e integración en el sistema de energía. La pila debe instalarse en una carcasa o envoltura adecuada que garantice una ventilación apropiada. Además, la carcasa también debe estar protegida de contaminantes. Los usuarios deben asegurarse de que las conexiones eléctricas sean seguras y estén bien aisladas, conectando la celda de combustible al sistema de gestión de energía. Idealmente, el sistema de gestión de energía debería regular el voltaje y la corriente de salida para cumplir con los requisitos de la aplicación.

  En aplicaciones portátiles, la pila de celda de combustible de PEM debe combinarse con un sistema de almacenamiento de hidrógeno. Además, debe integrarse con un sistema de gestión del agua para controlar la humidificación de la membrana, así como con un sistema de refrigeración para mantener la temperatura de operación óptima. Al implementar celdas de combustible de PEM en vehículos, es necesario integrarlas con el tren motriz y los sistemas de control del vehículo. Esto es para asegurar una operación fluida con otras fuentes de energía, como baterías y sistemas de frenado regenerativo.

Cómo Compatibilizar

• Compatibilizar una pila de celda de combustible de PEM con los componentes adecuados es clave para lograr un rendimiento y eficiencia óptimos. Para empezar, el hidrógeno es el requisito principal para las celdas de combustible de PEM. Por lo tanto, se necesita un sistema de suministro confiable para garantizar un flujo constante de gas hidrógeno de alta pureza. Además, se requiere un sistema de gestión del agua para mantener la hidratación de la membrana y eliminar el exceso de agua que puede resultar de las reacciones electroquímicas.

  Además, también se necesitan componentes del balance de planta para facilitar la operación de la celda de combustible. Esto incluye bombas, ventiladores, válvulas y sensores, que son necesarios para la entrega de gas, refrigeración y monitoreo. La celda de combustible también debe tener conexiones eléctricas adecuadas y electrónicos de potencia. Estos componentes se utilizan para la regulación de voltaje y corriente, así como para la interfaz con la carga o la red eléctrica. Los sistemas de control son esenciales para que las pilas de PEM gestionen las operaciones y aseguren la seguridad. Además, gestionan el rendimiento de la pila y responden a las condiciones operativas cambiantes.

Preguntas y Respuestas

Q1: ¿Cuál es el papel de cada componente en la pila de PEM?

A1: Cada componente en la pila de PEM tiene un papel específico. MongoDB sirve como el sistema de gestión de bases de datos, almacenando y gestionando datos en un formato flexible similar a JSON. Express.js es un marco de aplicación web para Node.js, que proporciona un conjunto sólido de características para construir aplicaciones web y móviles y facilita el manejo de solicitudes y respuestas de manera estructurada. Angular es un marco de front-end que permite el desarrollo de aplicaciones dinámicas de una sola página con una interfaz de usuario rica. Node.js permite utilizar JavaScript en el lado del servidor, habilitando el desarrollo de aplicaciones de red escalables utilizando una arquitectura asíncrona y basada en eventos.

Q2: ¿Cómo fluye la información en una aplicación de pila de PEM?

A2: El flujo de información en una aplicación de pila de PEM típicamente sigue una secuencia que comienza desde el lado del cliente. Cuando un usuario interactúa con el front-end de Angular, envía solicitudes al servidor, que está construido utilizando Express.js corriendo sobre Node.js. La aplicación de Express.js procesa estas solicitudes, se comunica con la base de datos MongoDB para recuperar o almacenar datos según sea necesario, y luego envía la respuesta de vuelta a la aplicación de Angular. Este ciclo continúa a medida que los usuarios interactúan con la aplicación, permitiendo el intercambio dinámico de datos y actualizaciones en tiempo real.

Q3: ¿Se pueden reemplazar los componentes de la pila de PEM con otras tecnologías?

A3: Sí, aunque la pila de PEM se define por sus componentes específicos, esos componentes pueden ser reemplazados por otras tecnologías si es necesario. Por ejemplo, en lugar de MongoDB, se podría utilizar PostgreSQL para la gestión de bases de datos relacionales. De manera similar, React o Vue.js podrían reemplazar a Angular para el front-end, y marcos como Koa o Hapi podrían ocupar el lugar de Express.js. Sin embargo, reemplazar componentes puede requerir ajustar la forma en que las diferentes partes de la aplicación se comunican y funcionan juntas.

Q4: ¿Cuáles son las ventajas de usar la pila de PEM para el desarrollo web?

A4: La pila de PEM ofrece varias ventajas para el desarrollo web. Utilizar JavaScript tanto en el lado del cliente como en el del servidor simplifica el proceso de desarrollo, permitiendo a los desarrolladores usar un solo lenguaje a lo largo de toda la aplicación. Esta pila también proporciona una combinación poderosa de herramientas: el esquema flexible de MongoDB, el sólido soporte de middleware de Express.js, las capacidades dinámicas de front-end de Angular, y la arquitectura asincrónica de Node.js. Juntos, estos componentes permiten la creación de aplicaciones web rápidas, escalables y en tiempo real.