Sistema de recirculación de hidrógeno de pila de combustible

El sistema de suministro de hidrógeno impacta significativamente la seguridad del vehículo y su vida útil operativa.

El sistema de recirculación de hidrógeno sirve como un componente central del pila de combustible Sistema de suministro de hidrógeno del motor. Su función principal es recircular el gas con alta humedad desde la salida del ánodo hasta la entrada de la chimenea. Este proceso no solo permite la reutilización del hidrógeno no reaccionado, sino que también humidifica la corriente de hidrógeno entrante, eliminando la necesidad de un sistema de humidificación externo y simplificando así la arquitectura del sistema de pila de combustible. Actualmente, las principales bombas de recirculación de hidrógeno incluyen las de tipo Roots, de garra, de espiral y de paletas, siendo las de paletas relativamente poco comunes en el mercado doméstico.

Un sistema de suministro de hidrógeno de alto rendimiento debe ofrecer una capacidad de almacenamiento de hidrógeno considerable, estabilidad operativa y altos estándares de seguridad para garantizar una mayor autonomía y durabilidad de los vehículos de pila de combustible. El sistema de suministro de hidrógeno a bordo comprende componentes de regulación de presión/flujo, sensores de fugas de hidrógeno, tuberías de suministro, sistemas de control y sistemas de recirculación de hidrógeno (normalmente excluyendo el depósito de almacenamiento de hidrógeno). El flujo de trabajo operativo consta de tres fases: repostaje, almacenamiento y entrega.

1. Reabastecimiento: Las estaciones de reabastecimiento de hidrógeno suministran hidrógeno a los tanques de almacenamiento a bordo a través de válvulas de retención.

2. Almacenamiento: Los tanques mantienen hidrógeno de alta pureza (99,999 %) a presiones de 35 MPa o 70 MPa.

3. Suministro: Durante el funcionamiento de la pila de combustible, el hidrógeno pasa por válvulas reductoras/reguladoras de presión para alcanzar la presión operativa antes de entrar en la pila mediante válvulas controladas electrónicamente, sensores de presión, caudalímetros y humidificadores. El exceso de hidrógeno entra en el sistema de recirculación o se somete a tratamiento antes de su liberación a la atmósfera.

Requisitos críticos del sistema:

1. El suministro estable de hidrógeno mejora la durabilidad de la pila de combustible:

La presión de salida del tanque de almacenamiento (35/70 MPa) excede sustancialmente los requisitos operativos de la chimenea.

Una regulación inadecuada de la presión puede provocar daños irreversibles en la membrana de intercambio de protones, lo que requiere un control de presión preciso.

2. La seguridad intrínseca es obligatoria: como gas altamente combustible, los sistemas de hidrógeno requieren un monitoreo exhaustivo de los parámetros de presión, temperatura y flujo.

La implementación de componentes de seguridad (por ejemplo, sensores, válvulas de alivio) evita fugas, sobrepresión, sobrecalentamiento y anomalías de flujo.

Dispositivo de recirculación de hidrógeno: optimización del uso y la gestión del agua

El dispositivo de recirculación de hidrógeno mejora significativamente su utilización, a la vez que aborda los problemas de gestión del agua de chimenea, lo que influye directamente en la longevidad de los motores de pila de combustible. La práctica habitual consiste en extraer el agua generada durante la operación mediante la separación gas-líquido, reintroduciendo el hidrógeno recuperado en el sistema. Este proceso:

Proporciona humidificación inherente a través del vapor de agua en el gas recirculado.

Aumenta la velocidad del flujo del ánodo para evitar la acumulación de agua ("inundaciones")

Mejora la eficiencia general de utilización del hidrógeno.

Configuraciones del sistema de recirculación:

Las implementaciones actuales utilizan principalmente bombas y eyectores de recirculación de hidrógeno, ya sea individualmente o en combinación:

1.Bomba de recirculación de hidrógeno:

Emplea un control de motor de frecuencia variable para el ajuste dinámico del flujo.

Ventajas: Mayor flexibilidad en la circulación del hidrógeno en todos los rangos de potencia.

Desventaja: Consumo adicional de energía eléctrica

2. Eyector:

Funcionamiento pasivo sin necesidad de alimentación auxiliar

Ventajas: Construcción sencilla, fiabilidad operativa, vida útil prolongada.

Limitación: La tasa de recirculación fija restringe el rango operativo efectivo