Control de pilas de combustibleControl de pilas de combustible

Control Avanzado de Sistemas EnergéticosControl Avanzado de Sistemas EnergéticosGrupo de pilas de combustibleGrupo de pilas de combustible

A cargo de Maria Serra PratA cargo de Maria Serra PratInstituto de Robótica e Informática IndustrialInstituto de Robótica e Informática Industrial

UPCUPC--CSICCSIC

ÍndiceÍndice

•• ¿Una solución al reto energético?¿Una solución al reto energético?•• Introducción a las pilas de combustible (PC)Introducción a las pilas de combustible (PC)•• Tipos de pilas de combustibleTipos de pilas de combustible•• Estado de la investigación en pilas de combustibleEstado de la investigación en pilas de combustible•• El control de las pilas de combustibleEl control de las pilas de combustible•• Integración de las PC con la aplicación Integración de las PC con la aplicación •• Proyectos del grupo de pilas de combustibleProyectos del grupo de pilas de combustible•• LaboratorioLaboratorio

El hidrógeno y las pilas de combustible: El hidrógeno y las pilas de combustible: ¿Una solución al reto energético?¿Una solución al reto energético?

ELECTRICIDADELECTRICIDAD+ +

HIDRÓGENOHIDRÓGENO++

PILAS DE COMBUSTIBLEPILAS DE COMBUSTIBLE

Principales dificultadesPrincipales dificultades

•• Producción de hidrógeno (vector energético)Producción de hidrógeno (vector energético)

•• Almacenamiento de hidrógenoAlmacenamiento de hidrógeno

•• Transporte de hidrógenoTransporte de hidrógeno

•• Pilas de combustiblePilas de combustible

APLICACIONES APLICACIONES MÓBILES!MÓBILES!

Funcionamiento de las pilas de combustibleFuncionamiento de las pilas de combustible

Flexibilidad del sistema energético Flexibilidad del sistema energético basado en piles de combustiblebasado en piles de combustible

Figura: EUROPEAN COMISSION, Figura: EUROPEAN COMISSION, http://http://wwwwww..cordiscordis..lulu//sustdevsustdev//energyenergy

Tipos de pilas de combustible Tipos de pilas de combustible -- AplicacionesAplicaciones

Esquema: J. Esquema: J. LarminieLarminie, A. , A. DicksDicks. “ . “ Fuel Cells Systems ExplainedFuel Cells Systems Explained””

Pila de combustible de Pila de combustible de metanol directo, (metanol directo, (ToshibaToshiba))

Pila de combustible polimérica, 5 Pila de combustible polimérica, 5 kWkW, EUA, EUA

Pila de combustible de carbonatos fundidos, 250kW, Los ÁngelesPila de combustible de carbonatos fundidos, 250kW, Los Ángeles

ToyotaToyota, FCHV, FCHV--44

Perfiles de carga en automóvilesPerfiles de carga en automóviles

Los retos de las pilas de combustibleLos retos de las pilas de combustible

•• CosteCoste•• Tiempo de vidaTiempo de vida•• FiabilidadFiabilidad•• Prestaciones funcionalesPrestaciones funcionales•• Procesos de fabricaciónProcesos de fabricación

Prototipos Demostración ComercializaciónPrototipos Demostración Comercialización

Grandes inversiones en investigaciónGrandes inversiones en investigación

•• USA USA 1700 1700 milionesmiliones $$ (2003(2003--2008)2008)•• Japón Japón 240 240 milionesmiliones $$ (2002)(2002)

1/51/5

EuropaEuropa

Datos: EUROPEAN COMISSION, Datos: EUROPEAN COMISSION, http://http://wwwwww..cordiscordis..lulu//sustdevsustdev//energyenergy

QuéQué priorizaprioriza Europa?Europa?

Plan estratégico de investigación de la Plan estratégico de investigación de la Comisión Europea:Comisión Europea:

•• Materiales y componentes básicosMateriales y componentes básicos•• Diseño y fabricaciónDiseño y fabricación•• Prestaciones del sistema: características de la energía Prestaciones del sistema: características de la energía

entregada, eficiencia, tiempo de respuesta...entregada, eficiencia, tiempo de respuesta...•• Componentes periféricos e integraciónComponentes periféricos e integración•• Estudios socioeconómicosEstudios socioeconómicos

Pilas de combustible poliméricasPilas de combustible poliméricas.. Ejemplo IEjemplo I

Figura: Control Figura: Control oriented modeling and analysis for automotive oriented modeling and analysis for automotive fuel fuel cell systemscell systems, J. , J. PukrushpanPukrushpan et al., Univ. et al., Univ. MichiganMichigan

Pilas de combustible poliméricasPilas de combustible poliméricas.. Ejemplo IIEjemplo II

Figura: O. Figura: O. OkadaOkada & K. & K. Yokoyama Yokoyama -- FUELFUEL CELLS 2001, 1, No. 1CELLS 2001, 1, No. 1

Características de lasCaracterísticas de lasPilas de combustible poliméricas. Pilas de combustible poliméricas.

•• Electrolito: polímeroElectrolito: polímero•• Baja temperatura, importancia del catalizadorBaja temperatura, importancia del catalizador•• Combustible HCombustible H22, sensibilidad a CO, sensibilidad a CO•• Contenido de agua de la membranaContenido de agua de la membrana•• Diversidad de aplicacionesDiversidad de aplicaciones::

–– móvilesmóviles–– portátilesportátiles–– estacionarasestacionaras

Pilas de combustible de carbonatos fundidos. EjemploPilas de combustible de carbonatos fundidos. Ejemplo

FiguraFigura: M. : M. LukasaLukasa et al. et al. -- Control Control EngineeringEngineering PracticePractice 10 (2002) 19710 (2002) 197––206206

El control de las PC. El control de las PC. CaracterísticasCaracterísticas

•• MultivariableMultivariable•• No linealNo lineal•• Dinámicas rápidas y lentasDinámicas rápidas y lentas•• Diferentes tipos de sistemas físicosDiferentes tipos de sistemas físicos

–– Químicos, eléctricos, mecánicos, electrónicosQuímicos, eléctricos, mecánicos, electrónicos

El control de las PC. ObjetivosEl control de las PC. Objetivos

•• Generar la potencia requeridaGenerar la potencia requerida•• Respuesta dinámica adecuadaRespuesta dinámica adecuada•• Mantener el estado de funcionamiento de la Mantener el estado de funcionamiento de la

PC en los rangos de operación establecidosPC en los rangos de operación establecidos•• Largo tiempo de vidaLargo tiempo de vida•• Alta eficienciaAlta eficiencia•• SeguridadSeguridad

EL control de las PEMFC: ObjetivosEL control de las PEMFC: Objetivos

Tres subsistemas de control principales: Tres subsistemas de control principales:

•• Alimentación de los gasesAlimentación de los gases•• Gestión del calorGestión del calor•• Gestión del aguaGestión del agua

Alimentación de los gasesAlimentación de los gases

Necesario controlar caudales de los gases:Necesario controlar caudales de los gases:•• Potencia requerida y rendimientoPotencia requerida y rendimiento•• Evitar falta de oxígeno localizada (Evitar falta de oxígeno localizada (starvingstarving))•• Entradas y salidas, o sólo entradasEntradas y salidas, o sólo entradas

Necesario controlar presiones: Necesario controlar presiones: •• Mantener los valores de presión adecuadosMantener los valores de presión adecuados•• Mantener diferencia de presión entre ánodo y Mantener diferencia de presión entre ánodo y

cátodo por debajo de un valor umbralcátodo por debajo de un valor umbral

Gestión del calorGestión del calor

Necesario mantener la temperatura a valores Necesario mantener la temperatura a valores de diseño de diseño

•• Refrigeración por circuitos de aire o aguaRefrigeración por circuitos de aire o agua–– Bombas, intercambiadores de calor, ventiladores...Bombas, intercambiadores de calor, ventiladores...

•• Sistema térmico: constantes de tiempo grandesSistema térmico: constantes de tiempo grandes

Gestión del aguaGestión del agua

Cantidad de agua en la pila: delicado equilibrio Cantidad de agua en la pila: delicado equilibrio

•• Humidificación de los gasesHumidificación de los gases•• Purga de aguaPurga de agua•• Diferenciar la falta o exceso de aguaDiferenciar la falta o exceso de agua

SensoresSensores y y actuadoresactuadores

•• Necesidad de medidas locales y no globalesNecesidad de medidas locales y no globales(p.e.: temperatura, presión, humedad, voltaje)(p.e.: temperatura, presión, humedad, voltaje)

•• Dificultad de conocer las causas de variación Dificultad de conocer las causas de variación de variables medidas de variables medidas

•• Dificultad de colocación de Dificultad de colocación de sensoressensores•• Restricciones de coste, volumen, pesoRestricciones de coste, volumen, peso•• SensoresSensores softwaresoftware

El control de las PEMFC. Integración El control de las PEMFC. Integración

•• GasesGases–– presiones, caudalespresiones, caudales

•• Gestión del aguaGestión del agua–– humedadhumedad

•• Gestión del calorGestión del calor–– temperaturatemperatura

SubsistemasSubsistemas•• SubsistemasSubsistemas•• Preparación de gasesPreparación de gases•• Balance de plantaBalance de planta•• Acondicionamiento de Acondicionamiento de

energía eléctricaenergía eléctrica

INTEGRACIÓNSistemasSistemas

Control de sistemas basados en PCControl de sistemas basados en PC

•• Distintos niveles de controlDistintos niveles de control

•• Condiciones de operación óptimas (óptimo global)Condiciones de operación óptimas (óptimo global)

–– Tipo de operación (cerca/lejos de operación nominal)Tipo de operación (cerca/lejos de operación nominal)

•• Implicaciones sobre el diseño del sistemaImplicaciones sobre el diseño del sistema

–– Almacenamiento de energíaAlmacenamiento de energía

–– Diseño del sistema de electrónica de potencia para el Diseño del sistema de electrónica de potencia para el acondicionamiento de energía eléctricaacondicionamiento de energía eléctrica

Sistemas de supervisiónSistemas de supervisión

•• Detección de malfuncionamientos. DiagnosisDetección de malfuncionamientos. Diagnosis–– On lineOn line / / off lineoff line–– Diseño de experimentosDiseño de experimentos

•• Determinación de acciones correctoras:Determinación de acciones correctoras:–– Corregir el malfuncionamientoCorregir el malfuncionamiento–– Funcionamiento en modo degradadoFuncionamiento en modo degradado–– Apagado de emergenciaApagado de emergencia

Sistema de control para PEMFC en VH. EjemploSistema de control para PEMFC en VH. Ejemplo

FiguraFigura: W. Yang et al. : W. Yang et al. -- Control Control challenges and methodologies challenges and methodologies in fuel in fuel cell vehicle developmentcell vehicle development

El control de las PEMFC. ModeladoEl control de las PEMFC. Modelado

•• Modelos teóricosModelos teóricos•• Modelos basados en experimentaciónModelos basados en experimentación

–– Técnicas de identificación electroquímicasTécnicas de identificación electroquímicas

•• Modelado orientado a controlModelado orientado a control

Modelado orientado a controlModelado orientado a control

Figura: Control Figura: Control oriented modeling and analysis for automotive oriented modeling and analysis for automotive fuel fuel cell systemscell systems, J. , J. PukrushpanPukrushpan et al., Univ. et al., Univ. MichiganMichigan

Modelado orientado a controlModelado orientado a control

Figura: Control Figura: Control oriented modeling and analysis for automotive oriented modeling and analysis for automotive fuel fuel cell systemscell systems, J. , J. PukrushpanPukrushpan et al., Univ. et al., Univ. MichiganMichigan

Proyectos del grupo de PCProyectos del grupo de PC

•• Modelado de PEMFCModelado de PEMFC•• Ensayo de nuevos materialesEnsayo de nuevos materiales•• DiagnósticoDiagnóstico•• Optimización de la operaciónOptimización de la operación•• Gestión energéticaGestión energética•• Estructuras de controlEstructuras de control•• LaboratorioLaboratorio

LaboratorioLaboratorio

•• 1 pila 1W1 pila 1W•• 1 1 stackstack 150W150W•• Carga programableCarga programable•• Instalación de gasesInstalación de gases•• MonitorizaciónMonitorización•• Sistema de adquisición de datosSistema de adquisición de datos•• Instrumentación para controlInstrumentación para control

Celda de combustible de 1 WCelda de combustible de 1 W

Pila de combustible de 150 WPila de combustible de 150 W