Il ruolo del separatore d'acqua nei sistemi a celle a combustibile raffreddate ad acqua

All'interno dell'intricata architettura di un raffreddato ad acqua sistema di celle a combustibile a idrogenoIl circuito di circolazione dell'idrogeno è un sottosistema fondamentale per garantire un funzionamento efficiente e sicuro. Un componente essenziale di questo circuito è il separatore d'acqua, noto anche come separatore di condensa o vaso di sfogo. La sua presenza potrebbe inizialmente sembrare paradossale: perché un sistema che mira a gestire rigorosamente l'acqua liquida dovrebbe richiedere un dispositivo dedicato per gestire l'umidità nel flusso di gas? Per comprenderlo, dobbiamo approfondire le fonti d'acqua sul lato idrogeno, i suoi potenziali pericoli e i meccanismi di bilanciamento dinamico inerenti al funzionamento del sistema. La reazione principale di una cella a combustibile prevede la combinazione di idrogeno e ossigeno per produrre acqua, elettricità e calore. Quest'acqua viene generata principalmente sul catodo, o lato aria.

Tuttavia, le molecole d'acqua non rimangono esclusivamente nel loro punto di origine. La membrana a scambio protonico (PEM), il "cuore" della cellula, deve essere adeguatamente idratata per condurre efficacemente i protoni. Questa caratteristica è un'arma a doppio taglio. Mentre una sufficiente idratazione della membrana è necessaria per una buona conduttività protonica, una differenza nella concentrazione dell'acqua (o attività dell'acqua) attraverso la membrana crea una forte forza motrice. Questo fa sì che le molecole d'acqua diffondano dal catodo, attraverso la membrana, verso l'anodo (lato idrogeno), in un fenomeno noto come "retrodiffusione dell'acqua". Questa permeazione inversa è particolarmente significativa quando la reazione catodica è intensa, producendo grandi quantità di acqua, mentre il flusso di idrogeno dell'anodo diventa relativamente secco a causa del ricircolo. Pertanto, umidità non pianificata compare in quello che dovrebbe essere un circuito di idrogeno "secco".

Inoltre, per mantenere il livello di idratazione ottimale del PEM, l'idrogeno che entra nello stack richiede spesso un'adeguata umidificazione. Soprattutto durante l'avvio del sistema, l'umidificazione esterna è un metodo comune per impedire che l'idrogeno secco disidrati la membrana. Il vapore acqueo introdotto attraverso questo processo di umidificazione può anche condensare in acqua liquida se il flusso di idrogeno subisce variazioni di temperatura durante il flusso. Pertanto, l'umidità sul lato dell'idrogeno proviene principalmente da due fonti: acqua retrodiffusa dal catodo e vapore acqueo introdotto tramite l'umidificazione del gas in ingresso. Quando l'idrogeno caldo e umido ricircolato scorre attraverso sezioni più fredde di tubazioni, valvole e la pompa di ricircolo, il vapore acqueo può condensare in goccioline fini, formando quella che è nota come "acqua trascinata". Permettere a quest'acqua liquida di accumularsi all'interno del circuito dell'idrogeno può portare a una serie di gravi problemi. Il rischio più immediato è l'"allagamento". I canali di flusso dell'idrogeno sono molto stretti; l'acqua liquida può bloccare i campi di flusso di singole o più celle, ostacolando l'efficace diffusione dell'idrogeno agli strati del catalizzatore per la reazione. La carenza locale di idrogeno provoca un brusco calo di tensione in quella zona e può persino portare all'inversione cellulare (polarizzazione inversa).

Ciò non solo si traduce in un'erogazione di potenza instabile, ma causa anche danni irreversibili da corrosione al catalizzatore e al supporto in carbonio, riducendo significativamente la durata della pila. In secondo luogo, queste gocce d'acqua possono accelerare la corrosione dei componenti metallici di tubi e valvole. Per la pompa di ricircolo dell'idrogeno, che si basa sul funzionamento ad alta velocità, l'impatto delle gocce può indurre un effetto "colpo d'ariete", potenzialmente danneggiando gravemente la girante e causando il grippaggio o il guasto della pompa, rappresentando una minaccia significativa per l'affidabilità complessiva del sistema. In questo contesto, il separatore d'acqua svolge il ruolo cruciale di "depuratore".

È tipicamente posizionato strategicamente all'interno del circuito di circolazione dell'idrogeno, spesso in un punto critico tra l'uscita del camino e l'ingresso della pompa di ricircolo. Il suo funzionamento si basa comunemente sui principi di separazione centrifuga o inerziale. Quando l'idrogeno gassoso umido, carico di goccioline d'acqua, entra tangenzialmente nella camera del separatore a una certa velocità, crea un flusso vorticoso. Le goccioline d'acqua più pesanti vengono spinte verso l'esterno dalla forza centrifuga contro la parete, dove si fondono, perdono energia cinetica e formano goccioline più grandi che alla fine si riversano per gravità sul fondo del separatore. L'idrogeno gassoso "essiccato" esce quindi attraverso l'uscita centrale e viene ricircolato all'ingresso del camino dalla pompa. L'acqua liquida accumulata sul fondo viene periodicamente drenata dal sistema tramite una valvola di scarico automatica o a controllo intermittente. Pertanto, il separatore d'acqua non è un elemento di progettazione ridondante, ma una soluzione intelligente ed essenziale alle complesse sfide di gestione dell'acqua all'interno di una cella a combustibile.

Riconosce la natura pervasiva delle molecole d'acqua e gestisce proattivamente l'umidità aggiuntiva introdotta dalla retrodiffusione e dall'umidificazione, garantendo che il circuito di circolazione dell'idrogeno mantenga uno stato ottimale di "umido ma non allagato". Questo componente protegge la pompa di ricircolo e contribuisce a garantire una distribuzione uniforme dell'idrogeno tra le singole celle, costituendo in definitiva una base fondamentale per il raggiungimento di elevata efficienza, affidabilità e durata a lungo termine nei sistemi a celle a combustibile. Sebbene sia solo un componente tra i tanti, il separatore d'acqua è fondamentale per mantenere il delicato "bilancio idrico" sul lato idrogeno.