Uno stack di celle a combustibile è formato da centinaia di celle in serie. Poiché la corrente attraversa tutte, la cella con le prestazioni più basse limita l'intero stack — e quella cella è di solito quella che il reagente raggiunge meno.
Un problema di distribuzione su due scale
Scala di stack. La distribuzione dal collettore principale di alimentazione alle celle. Se la pressione cala lungo il collettore, le celle in fondo risultano sottoalimentate. È quindi critico che la sezione del collettore sia abbastanza grande rispetto ai canali di cella.
Scala di cella. La distribuzione entro il disegno dei canali di una singola piastra. Nei canali in parallelo l'accumulo d'acqua può bloccare alcuni canali e deviare il flusso verso altri; uno schema a serpentina lo evita ma ha un'elevata perdita di carico. Gli schemi intermedi (interdigitati) costringono il flusso ad attraversare lo strato di diffusione del gas.
Entrambi sono classici problemi di distribuzione.
La gestione dell'acqua è la questione centrale
Nelle celle a membrana a scambio protonico la membrana deve restare umida per condurre; ma se al catodo si produce troppa acqua, questa ostruisce i pori (allagamento) e impedisce al reagente di raggiungere il catalizzatore.
L'obiettivo non è quindi asciugare ma restare entro una banda di umidità stretta, e quella banda varia con la densità di corrente, la temperatura e la posizione. Un canale può essere asciutto mentre quello vicino è allagato.
Il trasporto dell'acqua avviene dentro gli strati porosi, e le proprietà dei mezzi porosi (porosità, permeabilità, bagnabilità) fissano direttamente il risultato.
Il lato termico
Una parte del rendimento si trasforma in calore, e la temperatura della membrana va tenuta in una banda stretta. I canali di raffreddamento sono dentro la piastra, e la distribuzione di temperatura dovrebbe essere uguale anche da cella a cella. Il problema è coniugato.
Nella modellazione si risolvono insieme flusso, trasporto delle specie, fase acquosa e calore; guardare la sola distribuzione del flusso dà un quadro incompleto.
Riferimenti
- Ergun, S. (1952). Fluid flow through packed columns. Chemical Engineering Progress, 48(2), 89–94.
- Shah, R. K. & Sekulić, D. P. (2003). Fundamentals of Heat Exchanger Design. John Wiley & Sons. DOI: 10.1002/9780470172605