La densidad de corriente nominal es la corriente por unidad de área activa de la celda en el punto de funcionamiento de referencia declarado por el proveedor. Suele expresarse en A/cm². Interprétela junto con el área activa, la corriente, la tensión y las condiciones de funcionamiento.
El área activa y el número de celdas relacionan este valor nominal con la producción de hidrógeno. La tensión lo relaciona con la potencia eléctrica. Para evaluar la vida útil se necesitan datos de durabilidad específicos y un régimen de funcionamiento definido.
Al comparar un stack o un generador completo, empiece por el punto de funcionamiento al que corresponde el valor nominal: la configuración eléctrica, la temperatura, la presión y los requisitos del agua.
¿Qué significa la densidad de corriente?
Para una celda, la densidad de corriente media se calcula así:
j = I / A_active
Aquí, j es la densidad de corriente, I es la corriente que atraviesa la celda y A_active es su área geométrica activa. El método de ensayo de curvas de polarización del JRC utiliza esta relación e identifica el área como el área geométrica activa de la celda.
Mantenga la coherencia de las unidades:
Si una especificación indica 2.0 A/cm² y un área activa de 100 cm², la corriente correspondiente es de 200 A. Al utilizar 20,000 A/m² y 0.01 m² se obtiene el mismo resultado.
Utilice como área activa la superficie de trabajo de una celda, excluyendo las zonas inactivas de la membrana, las placas y la carcasa. Solicite al proveedor la definición del área o un plano. Cuente esta área una sola vez, sin sumar las áreas del ánodo y del cátodo. La media obtenida puede diferir de la densidad de corriente en puntos concretos del electrodo.
Nominal, típica y máxima son denominaciones distintas
Lea la denominación que acompaña a la cifra antes de comparar dos especificaciones.
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Denominación |
Cómo interpretarla |
Qué confirmar |
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Densidad de corriente nominal o asignada |
Un punto de funcionamiento de referencia o de diseño declarado para ese equipo. |
Si se trata de un valor para funcionamiento continuo y qué condiciones y compromisos de rendimiento se aplican. |
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Densidad de corriente típica |
Un valor representativo de un producto, un ensayo o un análisis concreto. |
Si describe el modelo ofertado y si está sujeto a alguna garantía. |
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Densidad de corriente máxima |
Un valor superior cuyo significado depende del documento. |
Si se trata de un límite continuo, una sobrecarga de duración limitada o únicamente un punto demostrado en un ensayo. |
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Densidad de corriente de funcionamiento |
El valor correspondiente al estado actual de funcionamiento del equipo. |
El intervalo de funcionamiento permitido y los requisitos de control para el régimen previsto. |
El documento del proveedor debe definir estas denominaciones. Un máximo declarado puede ser un límite continuo, una sobrecarga breve o un punto de ensayo de laboratorio. Compruebe su duración y sus condiciones antes de tratarlo como un valor de funcionamiento asignado.
Para seleccionar el equipo, utilice el intervalo de funcionamiento aprobado para el modelo ofertado. Los valores generales del sector sobre la «densidad de corriente típica de PEM» sirven como referencia de contexto, pero no como ajuste para ese stack.
¿Cómo influyen el área y el número de celdas en un stack?
Esquema conceptual de un stack en serie: la misma corriente atraviesa cada celda, mientras que las tensiones de las celdas y la producción de hidrógeno se suman.
En un stack con celdas conectadas eléctricamente en serie, la misma corriente atraviesa cada celda. Por tanto, las celdas con la misma área activa tienen la misma densidad de corriente media.
Las tensiones se suman en la conexión en serie. Si hay N celdas y su tensión media de funcionamiento es V_cell, entonces:
V_stack = N × V_cell
Cada celda en funcionamiento produce hidrógeno, por lo que el número de celdas contribuye a la producción total mientras la corriente en los terminales del stack en serie se mantiene igual.
Diez celdas conectadas en serie por las que circulan 200 A cada una requieren una corriente de stack de 200 A. Para calcular la densidad de corriente por celda, divida esa corriente entre el área activa de una celda.
En equipos con ramas en paralelo o stacks alimentados por separado, identifique primero la configuración y la corriente por rama. Aplique estas relaciones a cada stack en serie dentro de esa configuración.
¿Cómo se relaciona la densidad de corriente con la producción de hidrógeno?
La formación de hidrógeno requiere dos electrones por molécula de H₂, como muestra la reacción del cátodo en la explicación de la electrólisis del Departamento de Energía de Estados Unidos. La ley de Faraday relaciona la corriente con la tasa teórica de producción de hidrógeno.
Para una celda:
ṅ_H₂,cell = η_F,H₂ × I / (2F)
Para un stack en serie, utilizando una eficiencia farádica del hidrógeno a nivel del stack:
ṅ_H₂,stack = η_F,H₂ × N × I / (2F)
El punto indica una tasa. Aquí, ṅ se expresa en mol/s, N es el número de celdas y η_F,H₂ es una fracción: 98% se introduce como 0.98. F es la constante de Faraday, aproximadamente 96,485 C/mol. La tabla de constantes del NIST proporciona su valor.
Esta expresión resulta de reorganizar la ecuación de eficiencia de corriente para el hidrógeno de los protocolos de ensayo del JRC, sección 7.2.2. La eficiencia farádica del hidrógeno compara la producción de hidrógeno medida con la cantidad teórica calculada a partir de la carga, dentro de los límites de medición indicados. Es distinta de la eficiencia energética.
Sustituya I = j × A_active para calcular la producción a partir de la densidad de corriente, el área activa, el número de celdas y la eficiencia farádica del hidrógeno. Para obtener el suministro neto de un sistema completo, tenga también en cuenta las pérdidas por purificación, purga y otros procesos aguas abajo.
Ejemplo de cálculo: cómo interpretar una especificación ilustrativa
Para este cálculo, suponga los siguientes valores para un stack hipotético.
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Dato de entrada supuesto |
Valor ilustrativo |
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Área geométrica activa por celda |
100 cm² |
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Densidad de corriente |
2.0 A/cm² |
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Configuración eléctrica |
10 celdas en un stack en serie |
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Eficiencia farádica del hidrógeno a nivel del stack |
98% |
Primero, calcule la corriente:
I = 2.0 A/cm² × 100 cm² = 200 A
Después, calcule la tasa de producción de hidrógeno del stack:
ṅ_H₂,stack = 0.98 × 10 × 200 / (2 × 96,485) ≈ 0.01016 mol/s
Esto equivale aproximadamente a 36.6 mol/h. Suponiendo un gas ideal y expresando el resultado como hidrógeno seco a 0 °C y 101.325 kPa de presión absoluta, corresponde aproximadamente a 820 L/h, o 0.820 m³/h. La conversión utiliza el volumen molar de gas ideal del NIST, de aproximadamente 22.414 L/mol en esas condiciones de referencia expresamente indicadas.
El resultado describe la producción de hidrógeno dentro de los límites de medición del stack. Para compararlo con un caudal ofertado en L/min, SLPM o Nm³/h, deben coincidir el punto de medición, la temperatura de referencia, la presión absoluta y la base seca o húmeda. Las condiciones de referencia del volumen de gas son independientes de la temperatura y la presión de funcionamiento del stack.
Por qué importa la tensión que acompaña al valor nominal
Con un área activa, un número de celdas y una eficiencia farádica del hidrógeno fijos, aumentar la densidad de corriente incrementa la producción de hidrógeno. Para evaluar la energía necesaria por unidad de hidrógeno, también se necesita la tensión.
La curva de polarización representa la tensión de funcionamiento frente a la corriente o la densidad de corriente en condiciones definidas. Por ejemplo, Noor Azam y sus colaboradores midieron los efectos de la densidad de corriente, la temperatura y el caudal de agua en una celda PEM experimental. Para comparar opciones de compra, solicite la curva y las condiciones de ensayo del stack ofertado.
En los terminales del stack:
P_DC = V_stack × I
En el mismo ejemplo hipotético, suponga una tensión media de celda de 2.0 V. Diez celdas dan entonces 20 V entre los terminales del stack; a 200 A, consume 4.0 kW de potencia eléctrica en corriente continua.
Para un generador completo, evalúe la entrada eléctrica al sistema suministrado, incluidos la rectificación y los equipos auxiliares. Por este motivo, la tabla de objetivos técnicos de PEM del DOE utiliza cifras de energía separadas para el stack y el sistema. Para su oferta, solicite mediciones de los equipos suministrados en el punto de funcionamiento indicado.
La cifra de consumo energético debe identificar la producción de hidrógeno y los equipos que abarca la medición. Si la eficiencia se expresa como porcentaje, compruebe si se utiliza el poder calorífico superior o inferior del hidrógeno.
¿Qué condiciones deben coincidir al comparar valores nominales?
Anote las siguientes condiciones junto a cada valor de densidad de corriente antes de comparar equipos.
Temperatura y presión. La temperatura afecta a la tensión necesaria para una densidad de corriente determinada, como muestra el estudio experimental del DLR sobre conjuntos MEA. Anote la temperatura, las presiones en los lados del hidrógeno y del oxígeno, si cada presión es absoluta o manométrica y la presión diferencial a través de la membrana.
Calidad y gestión del agua. Las impurezas pueden afectar al funcionamiento de la membrana y del catalizador, como explica el JRC en su sección sobre PEM. Solicite el requisito de conductividad o resistividad del modelo con sus condiciones de medición, además de los requisitos de suministro, circulación y refrigeración del agua. La indicación «agua desionizada» por sí sola deja estos detalles sin definir.
Duración del ensayo y antigüedad del equipo. Determine si los datos proceden de un ensayo breve de rendimiento o de una evaluación de funcionamiento continuo, y si el stack era nuevo y estaba acondicionado o ya había envejecido. Anote si el ensayo incluyó cambios de carga, arranques y paradas o funcionamiento estable.
Criterios de vida útil. Solicite la definición de fin de vida útil, el perfil de funcionamiento, la base de ensayo y las condiciones de garantía. Las notas de los objetivos PEM del DOE evalúan la variación de tensión a la misma densidad de corriente y piden evaluaciones cerca del punto de funcionamiento nominal y en condiciones dinámicas relevantes. Utilice las pruebas aportadas por el proveedor y las condiciones contractuales para evaluar el equipo ofertado.
¿Qué debe solicitar en una oferta?
Solicite estos datos junto con la oferta:
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Información que debe solicitar |
Por qué importa para la compra |
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Densidad de corriente nominal, área activa por celda y corriente correspondiente del stack |
Permite comprobar las unidades y el criterio utilizado para definir el área. |
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Número de celdas y configuración eléctrica |
Relaciona la corriente con la tensión del stack y la producción total de hidrógeno. |
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Tensión o datos de polarización en el punto de funcionamiento ofertado |
Ayuda a establecer la potencia necesaria en ese punto. |
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Límites de funcionamiento continuo, duración de sobrecarga e intervalo de funcionamiento permitido |
Aclara para qué condiciones de su ciclo de trabajo está aprobado el equipo. |
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Temperatura, presiones en ambos lados de gas, calidad del agua y condiciones de refrigeración |
Muestra las condiciones a las que se aplica el valor nominal. |
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Producción de hidrógeno, punto de medición y condiciones de referencia del volumen de gas |
Distingue la producción calculada del gas realmente disponible para su aplicación. |
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Consumo energético medido y equipos incluidos en la medición |
Permite comparar las cifras del stack y del sistema completo con un criterio común. |
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Datos de durabilidad, criterio de fin de vida útil y condiciones de garantía |
Distingue los resultados de ensayo, las proyecciones y los compromisos contractuales. |
Para un stack, identifique los requisitos que debe cumplir su equipo de integración. Para un generador completo, compruebe las condiciones de funcionamiento admitidas por el conjunto y la producción de hidrógeno en el punto de entrega. La guía comparativa entre stacks y generadores de hidrógeno completos explica ambos alcances de compra.
Consulte la gama de stacks de electrólisis PEM o contacte con Mads Energy e indique la producción de hidrógeno, la presión, el régimen de funcionamiento y el alcance de suministro que necesita. Adjunte la especificación que desea comparar.
Dos preguntas habituales sobre especificaciones
¿Puedo calcular la densidad de corriente a partir de las dimensiones exteriores del stack?
Utilice el área activa por celda indicada por el proveedor. Las dimensiones exteriores del stack incluyen la carcasa y otras zonas inactivas, por lo que no proporcionan el área necesaria para este cálculo.
¿Una eficiencia farádica del 98% significa una eficiencia energética del 98%?
No. La eficiencia farádica del hidrógeno compara la producción de hidrógeno medida con la cantidad teórica calculada a partir de la carga. La eficiencia energética compara el contenido energético del hidrógeno con la energía de entrada y requiere que se indique el poder calorífico utilizado. Compruebe qué medida recoge el documento.
