Influencia del enriquecimiento de oxígeno en las condiciones de operación de una pila de hidrógeno.

Abstract

[ES] En la actualidad, la necesidad de encontrar fuentes de energía limpia y sostenible se ha convertido en uno de los mayores desafíos de la humanidad. Las pilas de hidrógeno son una de las alternativas más prometedoras para lograr este objetivo, ya que no emiten gases contaminantes y su único subproducto es agua. Entre las diferentes tecnologías de pilas de hidrógeno, las Pilas de Electrolito Polimérico de Membrana (PEMFC, por sus siglas en inglés) son una de las más utilizadas debido a su madurez tecnológica y bajo costo. En este contexto, se buscan alternativas que puedan contribuir a mejorar el rendimiento y vida útil de este tipo de pila, como es el caso del enriquecimiento de oxígeno en la corriente de alimentación al cátodo. Esta estrategia puede mejorar significativamente la entrega de potencia de la pila mientras evita la aparición de condiciones de operación locales que pueden dañarla de forma irreversible. Por esta razón, el presente trabajo tiene como objetivo determinar la influencia de esta estrategia de operación las condiciones de funcionamiento de una PEMFC y realizar un balance energético del sistema completo. Para llevar a cabo este estudio, se han utilizado curvas polares experimentales obtenidas de la literatura, con diferentes concentraciones de oxígeno en la corriente de alimentación al cátodo para determinar el efecto que tiene esta variable sobre la potencia generada por la pila. Además, para conseguir el enriquecimiento de oxígeno en la corriente del cátodo, se ha simulado el uso de una membrana separadora de nitrógeno polimérica, la cual precisa de una serie de condiciones en el flujo a su entrada para garantizar su correcto funcionamiento. Con el fin de cumplir con los requisitos de la membrana de manera más eficiente posible, se ha planteado una instalación que contempla la recuperación tanto de la energía contenida en el hidrógeno a alta presión mediante una etapa de expansión, como de la corriente de nitrógeno rechazada por la propia membrana. De esta manera, se pretende establecer una comparativa energética entre el uso del sistema planteado y una pila de hidrógeno equivalente alimentada con aire a igualdad de estequiometría.

[EN] Finding clean and sustainable energy sources has become one of humanity's most significant challenges. Hydrogen fuel cells are one of the most promising alternatives to achieve this goal, since they do not emit polluting gases and their only by-product is water. Among the different hydrogen cell technologies, Polymeric Electrolyte Membrane Fuel Cells (PEMFC) are one of the most widely used due to their technological maturity and low cost. In this context, alternatives are sought that can improve this type of cell's performance and useful life, as is the case of oxygen enrichment in the cathode feed stream. This strategy can significantly enhance the stack's power delivery while avoiding local operating conditions that irreversibly damage the cell. For this reason, the present work aims to determine the influence of this operating strategy on the operating conditions of a PEMFC and to carry out an energy balance of the complete system. To carry out this study, experimental polarization curves obtained from the literature have been used, with different oxygen concentrations in the cathode feed current to determine this variable's effect on the power generated by the cell. In addition, a polymeric nitrogen separation membrane has been simulated to achieve oxygen enrichment in the cathode stream, which requires a series of conditions in the flow at its inlet to guarantee its correct operation. To meet the requirements of the membrane in the most efficient way possible, an installation has been proposed that contemplates the recovery of both the energy contained in the high-pressure hydrogen through an expansion stage and the rejected nitrogen stream by the membrane. In this way, it is intended to establish an energy comparison between the use of the proposed system and an equivalent hydrogen fuel cell fed with air at the same stoichiometry.