ch 2 3 celdas de combustible

2.3 Celdas de Combustible2.3 Celdas de Combustible

1

2.3 Celdas de Combustible2.3 Celdas de Combustible

Celdas de Combustible Celdas de Combustible Que es una celda de combustible?Que es una celda de combustible?

2

Una celda de combustible es un elemento de conversin electroUna celda de combustible es un elemento de conversin electro--qumica qumica de energade energa

En ella se combinan hidrgeno y oxigeno en la presencia de un En ella se combinan hidrgeno y oxigeno en la presencia de un electrolito para generar electricidad y aguaelectrolito para generar electricidad y agua

Celdas de combustible Celdas de combustible -- BackgroundBackground

Inventada en 1839 - Sir William Grove

1839 La primera celda de combustible aparece como resultados sobre experimentos para revertir la electrolisis del agua

3

agua

1842 Construccin de banco de 50 celdas llamada batera voltaica gaseosa

Descubrimiento importante Se requiere de una superficie de reaccin notable para producir suficiente potencia

nodo

H2 2H+ + 2e-

Ctodo

O2 + 2H+ + 2e- H2O

Reaccin competa

Celdas de combustible - Reaccin Qumica

4

Reaccin competa

H2 + O2 H2O

Voltaje terico1.229 V @ 1 atm, 25 C

Celdas de combustible Celdas de combustible Curva de polarizacinCurva de polarizacin

5

Celdas de combustible - Pros y contras

Pros

Alta eficiencia (46-70%)

Bajas emisiones

Fcil mantencin

Contras

Ciclo de vida til desconocido

Perdida de eficiencia en el tiempo

Mayor costo de inversin

6

Fcil mantencin

Pocas partes mviles

Bajo ruido

Generacin distribuida con cogeneracin

Tecnologa emergente

Pocos proveedores

Ausencia de red de distribucin de combustible

Celda de combustible Alcalina

Celda de Combustible con membrana de intercambio de protones

Celda de combustible de cido fosfrico

Celdas de combustible Tipos de celdas

7

Celda de combustible de cido fosfrico

Celda de combustible de carbonato fundido

Celda de combustible de oxido slido

Celdas de combustible Celdas de combustible Celda con membrana de intercambio de protones (PEM FC)Celda con membrana de intercambio de protones (PEM FC)

Una celda de combustible PEM es capaz de generar electricidad en forma directa por medio de dos reacciones electroqumicas en el nodo y ctodo a bajas temperaturas (

Celdas de combustible Celdas de combustible -- PEMPEM

Para producir la reaccin electroqumica es necesario utilizar un catalizador

En las celdas PEM se utiliza un catalizador de papel de carbn o tela cubierto en polvo de platino.

El voltaje resultante de la reaccin electroqumica es de alrededor

9

El voltaje resultante de la reaccin electroqumica es de alrededor de 0.7V

La reaccin que ocurre es:

Reaccin de nodo: 2H2 => 4H+ + 4e-

Reaccin de ctodo: O2 + 4H+ + 4e- => 2H2O

Reaccin neta: 2H2 + O2 => 2H2O

Celdas de combustible Celdas de combustible -- PEM FCsPEM FCs

Ventajas

Diseo compacto

Larga vida til

Rpida puesta en marcha (pocos minutos)

Baja temperatura de operacin (

Celdas de combustible Celdas de combustible -- PEM FCPEM FC

1

1.2

S

t

a

c

k

V

o

l

t

a

g

e

[

p

.

u

]

La principal caracterstica de una celda de combustible es su curva V-I

Esta se divide en tres zonas, activacin, hmica y flujo de masa

11

0

0.2

0.4

0.6

0.8

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2

Load Current [p.u]

S

t

a

c

k

V

o

l

t

a

g

e

[

p

.

u

]

ProtonexBCS 20WBCS 30W

Celdas de combustible Celdas de combustible -- DMFCsDMFCs

Para las celdas de combustible DMFC los catalizadores utilizados en el nodo y ctodo son distintos

nodo : PtRu

Ctodo : Pt

La membrana en tanto es fabricada en base a Nafion

13

La reaccin electroqumica dentro de la celda de combustible esta dada por:

Reaccin de nodo: CH3OH + H2O => CO2 + 6H+ + 6e-

Reaccin de Ctodo: 3/2O2 + 6H+ + 6e- => 3H2O

Reaccin neta: CH3OH + 3/2O2 => CO2 + 2H2O

Celdas de combustible Celdas de combustible -- DMFCsDMFCs

Las celdas de combustible directas de metanol tienen las siguientes

ventajas y desventajas al ser comparadas con otras tecnologas

Ventajas

Simple almacenamiento de combustible

Fcil transporte

Diseo compacto

14

Diseo compacto

Desventajas

Estructura de la pila es compleja

Lento tiempo de respuesta

Baja eficiencia

Celdas de combustible Celdas de combustible -- DMFCDMFC

15

Celdas de combustible Celdas de combustible SOFCSOFC

Las celdas de combustible de oxido slido se caracterizan por:

Utilizar un electrolito cermico como el oxido de zirconio estabilizado con oxido de ytrio

Alta resistencia a la contaminacin con monxido de carbono

La reaccin dentro de la celda esta dada por:

17

Reaccin de nodo: H2 + O2H2O + 2e-

CO + O2CO2 + 2e-

Reaccin de Ctodo: O2 + 4e-2O2-

Celdas de combustible Celdas de combustible -- SOFCSOFC

Las ventajas y desventajas caractersticas de las celdas de combustible de

estado slido en comparacin con las otras tecnologas son:

Ventajas

Extremadamente eficientes (60-70%)

Pueden ser alimentadas con diversos combustibles

No requiere de reformador para operar

18

No requiere de reformador para operar

El calor producido puede utilizarse para cogeneracin

Desventajas

Lenta puesta en marcha

Requiere de aislacin trmica considerable

Costo de materiales elevado

Problemas de Oxidacin

Celdas de combustible Celdas de combustible -- SOFCSOFC

19

La curva de polarizacin de la celda de combustible de oxido slido varia en funcin de la temperatura

Celdas de combustible Celdas de combustible Pilas planasPilas planas

20

Tpicamente, para lograr mayor voltaje, las celdas de combustible se apilan una sobre la otra para formar una pila.

En aplicaciones de electrnica mvil el espacio es critico, por esto se desarrollo una topologa alternativa

Disponer las celdas de la pila de combustible en forma plana optimiza el uso del espacio

Celdas de combustible Celdas de combustible Comparacin de tecnologasComparacin de tecnologas

21

Celdas de combustible Celdas de combustible Comparacin de tecnologasComparacin de tecnologas

120

600

800

1000

MCFC(> 1[MW ])

SOFC(< 1 [MW ])

PAFC(< 1[MW ])200 ]C[Temp. ]C[

22

DMFC(< 10[kW ])

30 35 45 5540 50 60

60

PEMFC (< 250[kW ])80

100

120

AFC (< 20[kW ])

Efficiency [% ]

Celdas de combustible Celdas de combustible Celda de combustible como una fuenteCelda de combustible como una fuente

Fuel Cell V-I Curve

20

25

30

35

40

45

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36

Current (A)

F

u

e

l

c

e

l

l

v

o

l

t

a

g

e

(

V

)

23

Current (A)

La celda de combustible no se comporta como una fuente ideal

La tensin en terminales caria de 2-1pu desde vaco a plena carga

La capacidad de sobrecarga de la pila de combustible es limitada

Celdas de combustible Celdas de combustible Celda de combustible como una fuente Celda de combustible como una fuente (cont.)(cont.)

Fuel Cell V-I Curve

25

30

35

40

45

F

u

e

l

c

e

l

l

v

o

l

t

a

g

e

(

V

)

24

200 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36

Current (A)

La respuesta dinmica de la celda de combustible es lenta (2-5 ms y 20 ms) si el suministro de combustible es ajustado para mxima eficiencia

Requiere de un numero de perifricos para operar (bombas, ventiladores, etc.)

Lenta puesta en marcha debido a restricciones trmicas

Celdas de combustible Celdas de combustible Sistema de generacinSistema de generacin

25

Celdas de combustible Celdas de combustible Componentes de un sistema de generacinComponentes de un sistema de generacin

Combustible (nodo)

Aire (Ctodo)

Procesador de combustible

Compresor de aire

Pila de combustible Acondicionador de potencia

Convertidor DC/DC

Almacenamiento de energa

Perifricos

26

Electrlito

Membrana

Catalizador

Agua

Manejo termal

Compresor de aire

Radiador

Bombas de enfriamiento

Etc.

energa

Inversor DC/AC I

Transformador

Circuitera de control

Celdas de combustible Celdas de combustible Componentes de un sistema de generacinComponentes de un sistema de generacin

28

Celdas de combustible Celdas de combustible Consideraciones de diseoConsideraciones de diseo

Debido a la baja tensin en los terminales de la celda de combustible se

29

Debido a la baja tensin en los terminales de la celda de combustible se requiere de un convertidor DC-DC con ganancia relativamente alta (1:10)

Adems el convertidor DC-DC debe ser capaz de compensar por la variacin en la tensin de la celda a medida que la carga aumenta (2:1) mientras mantiene una buena regulacin en el voltaje de salida.

En general, por razones de seguridad, se requiere de aislacin galvnica entre la celda y el sistema elctrico


Tiene el modo de operacin del convertidor DCTiene el modo de operacin del convertidor DC--DC (DCMDC (DCM--CCM) incidencia en el CCM) incidencia en el

30

Tiene el modo de operacin del convertidor DCTiene el modo de operacin del convertidor DC--DC (DCMDC (DCM--CCM) incidencia en el CCM) incidencia en el desempeo de la celda de combustible?desempeo de la celda de combustible?

Aumenta el consumo de combustible? Aumenta la disipacin de calor? Puede el Aumenta el consumo de combustible? Aumenta la disipacin de calor? Puede el sistema suministra potencia nominal?sistema suministra potencia nominal?

Tiene la impedancia interna de la celda de combustible algn efecto en la operacin del convertidor DC-DC?

Ser el sistema estable?


El modelo anterior solo considera el estado estacionario.

En la mayor parte de los casos en tambin necesario evaluar el comportamiento dinmico de la celda de combustible.

32

El modelo se puede obtener a partir del mtodo de interrupcin de corriente.

De la dinmica de la forma de onda de voltaje en los terminales de la celda se tiene que esta puede aproximar utilizando un sistema de segundo orden.


34

La impedancia de la pila de combustible puede medirse experimentalmente utilizando espectrografa de frecuencia.

El mtodo consiste en obtener experimentalmente el modelo de pequea seal de la celda.


Potencia calculada usando el modeloPotencia calculada usando el modelo

La potencia disponible en los bornes de la celda de combustible es entonces funcin de la frecuencia y magnitud de las componentes de ripple de corriente.

Ripple de baja frecuencia

La celda produce 20% menos potencia

Ripple de alta frecuencia (>10 kHz)

La potencia se reduce solo en 4%

38

0.7

0.75

0.8

0.85

0.9

0.95

1

100 1000 10000 100000 1000000Load Current Frequency [Hz]

O

u

t

p

u

t

P

o

w

e

r

[

p

.

u

]

Potencia calculada usando el modeloPotencia calculada usando el modelo

Potencia medida experimentalmentePotencia medida experimentalmente

ripple de corriente.

A baja frecuencia la potencia que la celda de combustible puede entregar se reduce hasta en 20%.

A alta frecuencia la potencia disponible se reduce solo en un 4%


Aspectos TrmicosAspectos Trmicos

Otro aspecto importante de considerar al conectar un acondicionador de potencia a Otro aspecto importante de considerar al conectar un acondicionador de potencia a

los terminales de una pila de combustible es el impacto que pueda tener sobre su los terminales de una pila de combustible es el impacto que pueda tener sobre su

rendimiento trmico.rendimiento trmico.

Como se ha mostrado la presencia de componentes de corriente de alta frecuencia Como se ha mostrado la presencia de componentes de corriente de alta frecuencia

produce perdidas adicionales en la celda de combustible, y por lo tanto se genera produce perdidas adicionales en la celda de combustible, y por lo tanto se genera

calor adicional en el sistema.calor adicional en el sistema.

40

calor adicional en el sistema.calor adicional en el sistema.

Entonces es importante verificar si la presencia de ripple de corriente de baja y alta Entonces es importante verificar si la presencia de ripple de corriente de baja y alta

frecuencia puede provocar que la pila de combustible sea inestable desde el punto frecuencia puede provocar que la pila de combustible sea inestable desde el punto

de vista trmico.de vista trmico.

Esto ya que si se supera cierto umbral de temperatura la celda de combustible deja Esto ya que si se supera cierto umbral de temperatura la celda de combustible deja

de operar.de operar.

Para el caso de las pilas de combustible PEM el umbral de temperatura es de 57 Para el caso de las pilas de combustible PEM el umbral de temperatura es de 57 -- 60 60 ooCC


Celda de combustible operando con carga DC

Po = 0.996 p.u.

i.e. 30 watt output

Tav = 41.2 oC

Tmax = 49.9 oC

Celda de combustible operando

Stack

Fan & Heat Exchanger

41

Tav = 41.3 oC

Tmax = 51.6 oC

Celda de combustible operando con corriente de carga con ripple de 20 kHz

Po = 0.996 p.u.

StackFan & Heat Exchanger


Pueden tomarse dos caminos distintos para evitar este problema

Limitar la potencia del convertidos DC-DC

Utilizar almacenamiento de energa (supercapacitor)

El tamao del supercondensador puede especificarse en trminos de la energa requerida durante la purga

44

2

2V

tPC po

=

En el caso de una celda de 30W

Duracin de la purga 2.5 segCada de tensin 0.75 p.u (full load)

El sper condensador debe proveer

25% de la carga durante 2.5 seg

Esto es se requiere un condensador de 10 F


Las celdas de combustible tienen una impedancia interna compleja y Las celdas de combustible tienen una impedancia interna compleja y

no lineal.no lineal.

Producto de esta impedancia las caractersticas dinmicas del Producto de esta impedancia las caractersticas dinmicas del

convertidor DCconvertidor DC--DC pueden ser afectadas.DC pueden ser afectadas.

Habitualmente el controlador del convertidor DCHabitualmente el controlador del convertidor DC--DC se disea DC se disea

45

Habitualmente el controlador del convertidor DCHabitualmente el controlador del convertidor DC--DC se disea DC se disea

asumiendo que la impedancia de la fuente de alimentacin es asumiendo que la impedancia de la fuente de alimentacin es

pequea de modo que no es necesario tomarla en cuenta..pequea de modo que no es necesario tomarla en cuenta..

Sin embargo en el caso de la celda de combustible esto no es as, y Sin embargo en el caso de la celda de combustible esto no es as, y

debe estudiarse la interaccin entre la impedancia interna y el debe estudiarse la interaccin entre la impedancia interna y el

sistema de control.sistema de control.


Bode Diagram

10

20

30

40

50

M

a

g

n

i

t

u

d

e

(

d

B

)

Z (s)

ZN(s)Criterio de los

6 dB no se cumple

Especificaciones Convertidor Boost

DondeZN(s) = Impedancia de

48

Para asegurar interaccin mnima debe existir a lo menos 6 dB de diferencia entre las impedancias de entrada y la impedancia de la celda de combustible:

Frequency (rad/sec)10

010

110

210

310

410

510

6-30

-20

-10

0

M

a

g

n

i

t

u

d

e

(

d

B

)

ZD(s)

Zo,Full load(s)

Zo,Half load(s)

Zo,Light load(s)

ZN(s) = Impedancia de entrada Zi(s) bajo la condicin de controlador ideal.

ZD(s) = Impedancia de entrada Zi(s) bajo la condicin

Z0(s) = Impedancia de salida de la celda de combustible

0)( =sd

Celdas de combustible Celdas de combustible Conversin de potencia para aplicaciones estacionariasConversin de potencia para aplicaciones estacionarias

50

Celdas de combustible Celdas de combustible Conversin de potencia para aplicaciones estacionariasConversin de potencia para aplicaciones estacionarias

a

bn

AC OutputFuelcell

&Reformer

DC/DCConverter

Battery

DC/ACConverter Transformer

51

Dado que la pila de combustible / o reformador tienen un retardo, la potencia peak debe ser suministrada por un elemento de almacenamiento de energa tal como una batera o sper-condensador.

Debido a esto el acondicionador de potencia debe proveer de un medio para hacer la interfase

Celdas de combustible Celdas de combustible Conversin de potencia para generacin aisladaConversin de potencia para generacin aislada

52

En modo aislado o independiente de la red es comnmente para suministrar energa en locaciones remotas

Celdas de combustible Celdas de combustible Conversin de potencia para generacin aisladaConversin de potencia para generacin aislada

53

El banco de bateras en este tipo de aplicaciones cumple una doble funcin.

Suministrar peaks de potencia y proveer la energa necesaria para puesta en marcha de la pila de combustible.

Celdas de combustible Celdas de combustible Aplicaciones conectadas a la redAplicaciones conectadas a la red

CElectric Utility

Ls

LsLs

VdcFUELCELL

STACK

ACCESSORYLOADS_

Gate DriveDC/DC Control

Fuel CellControl

HydrogenInput

abc

dq

Id

Id*

PIwLs

Vd

V*dV*q Iq

wLsabc

dq

SVPWMPI

Ia Ib

A

Va Vb

Idc

B

DC-DC DC-AC

Start-up PowerController

Transformer

54

La potencia nominal del sistema es la misma que la mxima potencia de la pila de combustible

En este caso no se requiere de banco de bateras o otro elemento de almacenamiento de energa.

Reference SignalGenerator

P*ref

Iq*

PI

Vq

q Iq

Diseo de una UPS basada en celdas de combustible

Especificaciones de la UPS

Potencia: 1 KVA

Potencia normal: 10% de la potencia nominal mientras la red estepresente

Constante de tiempo del reformador de combustible: < 20 s

Celdas de combustible Celdas de combustible Ejemplo de DiseoEjemplo de Diseo

55

Voltaje de salida: 120VAC 5%Frecuencia: 60HZ 0.1%THD (Total Harmonic Distortion): < 2%

Capacidad de sobrecarga: 200% por 10 sec.

Todos los clculos son hechos tomando como base una pila de combustiblePEMFC (Proton Exchange Membrane Fuel Cell).


Potencia requerida: 1kW.

Energa requerida para suministrar una carga de 1kW durante una hora

La cantidad de hidrgeno necesaria para operar el sistema durante una interrupcin de suministro de 1 h de duracin puede ser calculada de la siguiente forma

56

Energa requerida para suministrar una carga de 1kW durante una hora

1kW-h = 1000[J/sec]*3600[sec] = 3.6MJ

El Calor de combustin inferior del hidrgeno es = 120 MJ/kg.

Densidad del hidrgeno = 0.09 kg / m^3.


La eficiencia tpica de una celda de combustible PEM es

,where

[%]43[%]100*8.0*95.0*25.17.0

[%]100*P

P*F*

VV

produced_power

net_powerutil

LHV

typ_cellPEM_FC

========

====

57

]W[stackcellfuelthefromproducedpowerTotal:P]W[stackcellfueltheofpoweroutputNet:P

95.0,factornutilizatioFuel:F]V[HydrogentheofvalueheatinglowwithEMF:V

]V[cellPEMoneofvoltageoutputTypical:V[%]efficiencycellfuelPEMTypical:

,where

produced_power

net_power

util

LHV

typ_cell

PEM_FC


][701*6.3

1*

H delinferior combustin deCalor requerida Energia

_22

gMJ

WPEMFC

H

==

=

Entonces calcula el peso del hidrgeno necesario

58

][7043.0

*/120

gKgMJ

==

El volumen de hidrgeno es entonces.

]L[778]3^m/kg[09.0]g[70V 2H ========

Usualmente el hidrgeno en forma gaseosa aumenta su peso en un 3%cuando es presurizado y contendido en un cilindro.

Luego el peso total del hidrgeno necesario es


59

[[[[ ]]]] ]g[2333%]wt[3g70Wcylinder ========

Para calcular el volumen del hidrgeno a una presin de 150 [atm] elnumero de moles de hidrgeno en un volumen dado (778 l en este caso)debe ser calculado

]moles[8.31]K[15.298*]atm3cm[06.82]L/cm[10*]L[778*]atm[1

TRVP

n33

====

====

====


60

]K[15.298*]Kmol

atm3cm[06.82TR

donde,n: numero de molesP: presin [atm]V: volumen del gas [cm3]R: constante universal de los gases idealesT: temperatura [K]


El volumen de un mol de hidrgeno a 150 [atm] puede ser calculado utilizando la ecuacin virial

]molecm[5.178]

mol3cm[4.15]atm[150

]K[15.298*]Kmol

atm3cm[06.82B

PTRV

3

U_ ====++++

====++++

====

61

donde,V_U: volumen de una tonelada de hidrgeno a presin dadaB: constante Virial a 298.15[K]


Luego el volumen total del hidrgeno a 25 [oC] y 150 [atm] es

]L[67.5]cm

L[10*]mole[8.31*]molecm[5.178n*V 3

33

U_ ========

Y el tamao mnimo del cilindro necesario para almacenar

62

Y el tamao mnimo del cilindro necesario para almacenarhidrgeno para la operacin de la pila de combustible duranteuna hora (25[C], 150 [atm]) es

Volumen : 5.67 [L]Peso : 2.333 [kg]

Celdas de combustible Celdas de combustible Sistemas de alta potencia (MW)Sistemas de alta potencia (MW)

Para obtener mayor tensin / potencia es necesario construir pilas de celdas de combustible.

Sin embargo hay un limite en el numero de celdas que pueden ser apiladas sin que los aspectos termales / manejo se vuelvan inmanejables.

Por estas razones el mximo voltaje que puede ser obtenido de una celda de combustible en forma segura es de al rededor de 350V

66

combustible en forma segura es de al rededor de 350V


DC/DC

Vo2

Vo1+

+

-

-

Neutral Point Clamped Inverter with IGCT DevicesLine

FrequencyTransformer

+

-

+

-

Fuel CellTurbineHybrid 1

Fuel CellTurbineHybrid 2

DC/DC

Trans-former

MediumVoltage Utility

1:K

DC/DCConverter

Fuel CellTurbineHybrid

67

Estos sistemas deben operar en media tensin (2300V, 4160V, 6600V o 11000V).

Las arquitectas de acondicionador de potencia para media tensin deben ser implementadas usando IGCT o estructuras modulares en base a IGBTs


68

Siemens WestinghouseSOFC: 3; 100kW,200V pilas en serie generan600V y 300kWDC-DC boost regula la tensin del enlace DC

(750V)90KVA MTG potencia nominal 75kWDos conversiones de energa independientes


Vdc C d

U V W

MIcro-

SOFCFuel Cell

DC/DCConverter

Heat

69

Enlace DC compartido (shared dc-link).

Se reduce el costo de la electrnica de potencia

Solo un enlace con la red simplifica el control y reduce el costo

MIcro-turbine

Generator


72


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ch 2 3 celdas de combustible

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