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Un paseo por el mundo de las pilas de combustible
Ignacio Lucas Alós
Curso sobre Hidrógeno y pilas de Combustible
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Tabla de contenido Un paseo por las pilas de combustible ........................................................................................ 4
¿Cómo obtener hidrógeno? ........................................................................................................ 4
¿Para qué sirve una pila de combustible? ................................................................................... 5
Hay otros métodos de almacenar energía, ¿por qué utilizar las pilas de combustible?............. 5
¿es viable introducir una pila de combustible en un vehículo eléctrico? ................................... 7
Almacenaje mediante adsorción ................................................................................................ 8
Almacenaje mediante absorción ................................................................................................ 9
¿Cuáles son las mejores pilas de combustible? ,aplicaciónes .................................................. 10
Ejemplo de pila de combustible en centro aislado................................................................... 11
El experimento de Grove ............................................................................................................ 13
Gestión de campo eólico ............................................................................................................ 16
Funcionamiento del sistema ................................................................................................... 17
¿Cómo controlar los electrolizadores?.................................................................................... 18
Pilas de combustible ................................................................................................................... 20
La Pila AFC ................................................................................................................................... 24
La reacción química ................................................................................................................. 25
Propuesta de pila alcalina con carbón activado ........................................................................ 28
Carbón activado ...................................................................................................................... 28
Nuevo modelo de pila propuesto ............................................................................................ 32
La pila PEMFC .............................................................................................................................. 37
Componentes .......................................................................................................................... 38
Placa bipolar ............................................................................................................................ 38
Capa difusora de gas (GDL) ...................................................................................................... 39
Catalizador ............................................................................................................................... 40
Membrana PEM ....................................................................................................................... 40
MEA ......................................................................................................................................... 41
La pila PAFC ................................................................................................................................. 44
Composición de la pila ............................................................................................................. 46
La pila MCMCF ............................................................................................................................ 48
La pila SOFC ................................................................................................................................ 52
La pila DMFC .............................................................................................................................. 56
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Seguridad .................................................................................................................................... 58
Comparativa entre el hidrógeno, gas natural y gasolina ......................................................... 58
Ficha de características del hidrógeno .................................................................................... 60
El hidrógeno, seguridad ........................................................................................................... 60
Riesgos para la seguridad ........................................................................................................ 61
Primeros auxilios ..................................................................................................................... 62
En caso de incendio ................................................................................................................. 62
Manejo y almacenamiento ...................................................................................................... 64
Equipo de protección individual .............................................................................................. 67
Información adicional .............................................................................................................. 67
Control ........................................................................................................................................ 68
Diagrama de bloques del sistema ............................................................................................ 68
Placa de control MCC03.............................................................................................................. 70
Descripción placa MCC03 ........................................................................................................ 70
Descripción de puertos ............................................................................................................ 74
Programación del MCC03 ........................................................................................................ 77
Interface de potencia (INT4R3M4IOPT) ..................................................................................... 79
Interconexión sensores ........................................................................................................... 80
Interconexión actuadores ........................................................................................................ 81
Alimentación de la placa.......................................................................................................... 83
Interface de interconexión con PC mediante software hyperterminal de windows ............... 87
Configuración hyperterminal de windows .............................................................................. 89
Software de control .................................................................................................................... 93
Software de control general MCC03 ....................................................................................... 97
Software cadena de alarmas .................................................................................................... 110
Software de control cadena de alarmas ................................................................................ 112
El electrolizador ........................................................................................................................ 114
Materiales empleados ........................................................................................................... 114
Ajuste ..................................................................................................................................... 119
Propuesta de construcción de pila AFC casera ........................................................................ 124
Consideremos el siguiente punto de vista............................................................................. 124
Materiales utilizados ............................................................................................................. 125
Construcción .......................................................................................................................... 129
Comentario personal sobre el hidrógeno ................................................................................ 131
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Un paseo por las pilas de combustible
La principal ventaja de este tipo de pilas reside en que funciona con combustible a diferencia
de las pilas químicas y no deja de proporcionar energía hasta consumirlo.
El combustible más utilizado en las pilas es el hidrógeno que, en combinación con el oxígeno,
produce una reacción electroquímica de la que se extrae energía.
El elemento más abundante del universo, por increíble que parezca es el hidrógeno
(incluyendo nuestro planeta), por lo que hay combustible de sobra, aunque hay extraerlo de
terceros compuestos como puede ser las moléculas del agua, gas natural, petróleo, etc...
Diagrama de una celda de combustible Aplicación para PC de pila de combustible
¿Cómo obtener el hidrógeno?
Existen multitud de formas y técnicas para sintetizar el hidrógeno, desde la más ecológica a la
más contaminante.
Se puede obtener mediante electrólisis del agua con energía eléctrica procedente por ejemplo
de placas solares. También, mediante la descomposición del gas natural, la descomposición del
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aluminio, procesos con hidrocarburos, tratamiento de biomasa, descomposición de metano,
aprovechamiento de procesos exotérmicos en centrales de refinado de crudo, etc…
De entre todas, la más limpia es mediante electrólisis siempre que para, producir la energía se
utilicen fuentes limpias como por ejemplo la energía solar o la eólica.
Electrolizador industrial Electrolizador básico
¿Para qué sirve una pila de combustible?
El campo de utilización de las pilas de combustible es muy amplio, desde alimentar un PC
portátil hasta la regulación del flujo eléctrico en centrales eléctricas.
Hay otros métodos de almacenar energía, ¿por qué utilizar entonces las pilas
de combustible?
Pese a que hay otros sistemas para generar energía, una de las propiedades de la tecnología
del hidrógeno, es que es una fuente inagotable y limpia de energía cuyo único residuo es el
agua, además tan solo se necesita agua para producir hidrógeno y éste se puede almacenar,
por lo que se abre la posibilidad de prescindir del petróleo, al haber agua en todas partes del
mundo, se permite el acceso a disponer de este recurso a todas las poblaciones del mundo,
zonas en las que en la actualidad no hay desarrollo industrial ni social a causa de la falta de
energía. Por poner un ejemplo, una zona aislada que disponga de agua y luz solar situada en
cualquier parte planeta, puede generar su propio hidrógeno para gestionar su energía sin
depender de los intereses energéticos y económicos de países terceros, por lo que puede
desarrollar una industria, puede construir vehículos eléctricos y con ellos una red de
transporte que permita fomentar el comercio, distribución de corriente eléctrica y en
definitiva, desarrollarse.
Es necesaria la síntesis del hidrógeno de manera limpia para evitar emisiones de CO2 a la
atmósfera y frenar el efecto invernadero.
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Campo eólico
Gráfica de velocidad y dirección del viento
Otro motivo para la utilización del recurso es que las centrales fotovoltaicas, y eólicas no
tienen un flujo constante de energía, por lo que hace falta un dispositivo que pueda aportar
energía en los momentos en los que la central no es capaz de suministrarlo por medios propios
divido a las condiciones meteorológicas, como por ejemplo en un campo solar un día nublado
o falta de flujo de aire en un campo eólico.
Por otra parte desde el punto de vista del consumo, no siempre se exige la misma demanda.
(No es lo mismo el consumo de una población en primavera a las 4 de la mañana que el
consumo de esa misma población a las 22:00 en Noche Buena).
Para suplir esos picos de demanda, se pueden utilizar pilas de combustible, y para regular la
intensidad que generan dichas pilas se puede regular la concentración de hidrógeno por
centímetro cuadrado en las pilas de combustible, o bien combinando distintas bancadas de
pilas de combustible. Durante el tiempo que se está generando energía y hay recurso
energético de sobra, como por ejemplo el viento que sopla por la noche a primera hora de la
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mañana en el caso de una central eólica, se puede utilizar el excedente de energía para
producir hidrógeno mediante electrólisis y proceder a su almacenaje para compensar mas
tarde una falta de flujo eólico, gracias a pilas de combustible estacionarias, esto por el
momento se hace con la ayuda de volantes de inercia para aguantar el pico de consumo y
grupos electrógenos de gasoil para compensar y mantener el flujo eléctrico requerido, al
utilizar gasoil para los generadores se producen una serie de contaminantes, que se podrían
evitar utilizando la tecnología del hidrógeno.
Depósitos de hidrógeno para la automoción
¿Es viable introducir una pila de combustible en un vehículo eléctrico?
La pila de combustible, se puede introducir en un vehículo eléctrico, el problema es la gestión
del combustible. Para ello por el momento lo más factible es el aire a presión, (almacenar
hidrógeno a 700 Bar). Parece que, tras las pruebas que se han realizado en el mundo de la
automoción, se da como seguro que el vehículo eléctrico utilizará pilas de combustible, de
hecho, las empresas más importantes del sector han desarrollado modelos de hidrógeno.
Países como Japón, Estados Unidos e Islandia han construido a modo experimental
hidrogeneras que utilizan el sistema de presión de gas para efectuar el repostado de los
vehículos de hidrógeno y estos proyectos se están extendiendo a otros países.
¿Cómo gestionar el hidrógeno?
Sintetizar hidrógeno no sirve de mucho si no se puede gestionar, para poder gestionarlo de
manera eficaz, por el momento la tecnología más desarrollada es el almacenaje en tanques de
hidrogeno comprimido para su posterior transporte y distribución, utilizando bombonas a
presión. Pero de ésta manera se pierde gran parte del volumen de transporte en el espacio
que ocupan las bombonas, además del espacio que se desaprovecha al no poder comprimir al
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100% el hidrógeno, otro problema añadido es la energía utilizada al comprimir el gas. Aunque
por el momento es el más desarrollado, necesita mejorar.
Otro método es transportarlo mediante tuberías de gas natural, pero hay un par de
inconvenientes importantes: el hidrógeno, al ser un gas más ligero y menos denso que el gas
natural, por lo que se requiere para transportar la misma cantidad de hidrogeno que se gas
natural, mover mayor volumen aumentando la velocidad de envío o bien mover un menor
volumen pero a mayor presión, con el fin de transportar la misma carga energética en el
mismo tiempo.
Analizando desde el punto de vista energético, la energía del hidrógeno por unidad de masa es
mucho mayor que la del gas natural, pero el volumen del hidrógeno por mol, es mucho mayor
que el del gas natural, por lo que para transportar la misma masa es necesario transportar
mayor volumen, por lo que o se aumenta la presión o se acelera la velocidad del gas dentro de
las tuberías.
Otro problema es la incompatibilidad de materiales respecto a las actuales tuberías de gas
natural, por lo que el transporte en la actualidad requiere una inversión multimillonaria por lo
que sigue siendo caro.
Si llegara a emplearse en un futuro el hidrógeno de manera doméstica, es seguro que se
modificarán las redes troncales de gas natural.
Almacenaje mediante adsorción
Se están investigando otras formas de almacenar hidrógeno mediante procesos de adsorción,
utilizando para ello nanotubos de carbono y otros materiales como aerogeles y nanofibras.
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Por el momento la capacidad de adsorción no es muy elevada. Actualmente la cantidad
máxima de hidrógeno almacenada es en torno al 3% en peso a temperaturas de 77K aunque se
pretende alcanzar el 6% a medio plazo, a largo plazo podría llegar al 10% a temperatura
ambiente. La técnica consiste en utilizar materiales formados únicamente por carbono
enrollado en forma de cilindro, formando tubos con un diámetro del orden de nanómetros. La
capacidad de almacenaje depende directamente de la superficie total del carbono utilizado.
Almacenaje mediante absorción
Otra línea de investigación se basa en la absorción de hidrógeno por parte de materiales tales
como hidruros metálicos NaH, BeH2, CaH2, LiH, siendo los principales candidatos al
almacenamiento de hidrógeno son los siguientes:
TiFe-H2, LaNi-H6 y Mg2Ni-H4.
El almacenamiento se produce de la siguiente manera:
Al principio el metal está libre de hidrógeno.
A una temperatura dada el hidrógeno se disuelve en la fase metálica aumentando la presión.
Conforme aumenta la presión el hidrógeno va siendo absorbido por el material hasta que
queda totalmente cargado.
Para recuperar el hidrógeno, tan solo hay que aplicar calor.
En el caso del Mg-H2 (Hidruro de magnesio) permite absorber un 7,6% en peso, pero se
necesitan temperaturas de 300ºC para extraer e introducir el hidrógeno, lo que implica un
consumo energético.
Para reducir la temperatura se preparan láminas de magnesio de unas pocas decenas de
nanómetros de espesor “Corte transversal lámina de magnesio 100nm sobre vidrio”. La reducción a
escala manométrica de los granos que forman las películas produce una aceleración de los
procesos de absorción y desorción
del hidrógeno (menores distancias
de difusión del hidrógeno en el
interior del magnesio, por
ejemplo) así como una menor
estabilidad del compuesto
(debido a la elevada superficie
existente) y, como consecuencia,
una reducción de la temperatura
necesaria para extraer e introducir
el hidrógeno.
Nano partículas de magnesio 5nm Nano partículas de magnesio 5nm
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Para hacer viable el almacenamiento del hidrógeno en este tipo de nano estructuras, es
necesario sintetizar una mayor cantidad de material sin perder el carácter de nano estructura,
esto es, en forma de nano partículas.
¿Cuáles son las mejores pilas de combustible?, aplicaciones.
Depende del uso que se les vaya a dar, para las aplicaciones domesticas las mejores son las
PEMFC, ya que son compactas y pequeño tamaño, en este tipo de pilas, la corriente que son
capaces de suministrar es directamente a la superficie de la MEA de cada una de las células del
stack mientras que la tensión o diferencia de potencial la marca el número de células que
forman el stack, la pila permite aportar mayor energía aumentando la presión del combustible
y el comburente pero el límite lo marca la presión que es capaz de soportar la MEA (Protón
Exchange Membrane o membrana intercambiadora de protones), actualmente hasta un
máximo de 4Bar ya que por encima de esta presión se produce deterioro de la membrana.
Está previsto que se comercialice en breve una gama de pilas de consumo doméstico.
Para los vehículos, también son una buena opción las PEMFC ya que solo requieren hidrógeno
para funcionar, tomando el oxígeno del aire de la atmosfera. La pila, genera una temperatura
de entre 80 y 90ºC, por lo que la gestión del calor residual es sencilla (en un vehículo), puede
utilizarse como calefacción aunque ha de ir acompañado de otros sistemas de regulación de
temperatura, ya que es insuficiente en países fríos. Respecto a los países más calurosos es
necesario un sistema de aire acondicionado, lo que suma el consumo de hidrógeno por tanto
la autonomía del vehículo. El consumo de un vehículo eléctrico está entre 10 y 16 Kw.
Pueden ofrecer una eficacia energética del 60% mientras que los motores de explosión
actuales consiguen un 25%.
Para las centrales estacionarias, las mejores pilas por el momento son las de ácido fosfórico
(PAFC), carbonato fundido (MCFC) y de óxido sólido (SOFC), ya que permiten mayores
cantidades de consumo en un espacio relativamente pequeño, además pueden tolerar una
fuente de hidrógeno contaminada siendo posible la utilización de gas natural no reformado,
gasoil o gasolina. El calor generado puede utilizarse para mover turbinas mediante vapor de
agua.
Para aplicaciones militares se usan pilas de combustible alcalinas, éstas requieren que tanto el
oxigeno como el hidrógeno sea puro, pero a cambio, ofrecen una buena respuesta energética.
Como nota curiosa, decir que estas son las pilas que se utilizaron para suministrar energía a las
naves del proyecto Apollo, que por cierto en el Apollo 13 se produjo un accidente debido al
comportamiento del oxígeno en un ambiente ingrávido, provocando una explosión que puso
en jaque durante unas horas a los astronautas de la nave, el agua que bebían era la producida
por la reacción electroquímica de la pila de combustible, mezclada con una serie de sales
minerales.
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Otra de las posibles aplicaciones esta en los sistemas de backup de energía, por ejemplo en las
estaciones de telefonía móvil, quirófanos servidores informáticos, etc…
Como se ha comentado anteriormente, mientras hay hidrógeno hay energía, tan solo ha de
haber un buen deposito de hidrogeno.
Para que el sistema de pila de combustible funcione correctamente es aconsejable utilizar
sistemas anexos a la propia pila de combustible, tales como sistema distribuidor de energía,
sistema de baterías, compresores , lógica de control y seguridad, tarjetas interfaces etc…
Ejemplo de pila de combustible en centro aislado:
Supongamos una estación repetidora de vigilancia forestal en la que los equipos que hay
instalados en su interior funcionan con un nivel de tensión de 48Vcc. La estación alberga
equipos de telecomunicaciónes, un sistema de aire acondicionado diseñado para funcionar
con un nivel de tensión de 48Vcc y una unidad de control de alarmas del centro que indica al
centro de vigilancia y gestión el estado del centro.
La estación repetidora se encuentra en un lugar aislado, por ejemplo en lo alto de un monte de
difícil acceso (muy frecuente en los pirineos en invierno), por lo que si se produce una avería
en el suministro de energía de red, el técnico va a tardar cerca de 5 horas en llegar, además se
da el caso de que si falla la línea eléctrica, el suministrador tardará un plazo de 48horas en
solucionar el problema.
Por lo que el sistema ha de tener una gran autonomía.
En este caso la solución más común pasa por instalar un grupo electrógeno que se pone en
marcha cuando falla la tensión de red. Aún así supone un inconveniente ya que se encuentra
en un paraje protegido y se ha de evitar la contaminación acústica. Los sistemas con baterías
duran unas pocas horas, por lo que es aconsejable un sistema que no haga ruido, que no
contamine y que mantenga la energía en el centro. Para lograr este fin se puede instalar una
pila de combustible diseñada para la tensión estándar de 48Vcc y alimentarla con el hidrógeno
almacenado en bombonas a alta presión.
De tal manera que, si falla la energía, entra en funcionamiento el sistema de baterías (sin
producir corte en el servicio) y cuando las baterías bajen de un nivel determinado de tensión,
entrará en funcionamiento el sistema de hidrógeno hasta que la red eléctrica se reponga.
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Un añadido a la instalación puede ser un
aerogenerador y un sistema de placas
solares, que en el caso de estar
funcionando el sistema de red eléctrica,
suministre energía a la propia red (esto
se haría, meramente por motivos
económicos ya que se paga mejor la
energía suministrada de lo que vale la
energía cobrada) y durante el tiempo
que la red falle los sistemas de placa
solar y aerogenerador suministren la
energía de funcionamiento del centro,
directamente a las baterías. Si en un
futuro se desea y los estudios de intensidad de luz y viento lo permiten, se puede incluso
prescindir del contrato con la compañía eléctrica.
Nota: Para entregas energía a la red eléctrica hay primero que convertirla o adaptarla a las
características que nos indique el suministrador utilizando para ello sistemas tales como un
transformador y un ondulador de la potencia requerida. La carga de las baterías se realiza
directamente desde el sistema de energía alternativo en el caso de fallo de red.
Con el ejemplo anteriormente citado se cubre la necesidad de energía en un centro, utilizando
la energía sobrante para su venta o llegado el caso para generar y comprimir más hidrógeno.
De la misma manera se puede adaptar el sistema para la alimentación de una vivienda o
incluso de una urbanización de chalets, centralizando los equipos de producción y distribución
en un local comunitario reduciendo de esta manera el gasto individual de cada uno de los
propietarios o vecinos.
Centro aislado
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El experimento de Grove
En 1839 un abogado Inglés llamado William Robert Grove publicó unos experimentos que
demostraban la posibilidad de obtener electricidad a partir de la reacción electroquímica del
hidrógeno y el oxígeno, para demostrarlo utilizó cuatro grandes cubetas llenadas
aproximadamente por la mitad con una disolución de ácido sulfúrico y agua que actuaba como
dieléctrico, dos cavidades una con oxígeno y otra con hidrógeno, dentro de cada una ellas
introdujo un electrodo fabricado con platino.
Estas cavidades las llenó por completo de la mezcla de ácido sulfúrico y agua y posteriormente
las introdujo en las cubetas. Tras introducir hidrógeno y oxígeno en cada cavidad de cada
cubeta tal y como muestra la figura, observó que durante un proceso electroquímico de
oxidación y reducción, se producía una corriente eléctrica con una baja diferencia de potencial
en cada una de ellas, por lo que las unió en serie y obtuvo una diferencia de potencial mayor.
Esa diferencia de potencial con la corriente suministrada por el experimento, decidió aplicarla
a una quinta cubeta con dos electrodos de platino y la misma disolución como electrolito,
pudiendo comprobar que se generaba en cada una de las cavidades de la quinta cubeta
oxigeno e hidrógeno.
De las pruebas obtuvo que hacía falta mucho más oxigeno e hidrógeno para alimentar la pila
del que se obtenía con la energía que proporcionaba la misma.
Aparentemente estas pruebas no tenían ninguna aplicación energética, pero sin aún saberlo
había abierto el campo de investigación sobre las pilas de combustible.
En principio el experimento era una mera curiosidad sin ninguna aplicación práctica, al fin y al
cabo, se necesitaba mucha energía para producir hidrógeno y oxígeno, (con 4 cubetas, tan solo
se podía recuperar una de ellas después de todo el proceso).
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Experimento original de Sir William Grobe
En 1842 Grove, se dio cuenta que tan solo se producía la reacción electroquímica en una fina
capa de solución ácida sobre el electrodo. Al principio del experimento, se medía con un
galvanómetro un flujo de electrones entre los electrodos que iba descendiendo poco a poco, si
se quería restituir la reacción había que restituir la capa de electrolito, por lo que dedujo que la
reacción dependía de la superficie activa. Para aumentar la superficie, utilizó electrodos de
platino sólido con partículas de platino depositadas, además amplió el número de celdas a 26
conectándolas de la misma manera que en el experimento original (en serie).
Experimentando probó introducir distintos gases en las probetas y en uno de los experimentos
observó que la combinación del oxígeno con el nitrógeno producía un pequeño efecto, debido
al oxígeno del aire que había disuelto en el electrolito.
En 1843 intentó demostrar su teoría de que el oxígeno era el que contribuía a la reacción
química. Continuó con los experimentos probando otras 14 combinaciones de gases, llegando
a la conclusión de que el cloro y el oxígeno, alimentando a uno de los electrodos y el hidrógeno
y el monóxido de carbono alimentando al otro electrodo, son los únicos gases capaces de
combinarse electrosintaticamente y producir corriente eléctrica. Debido a la selectividad de la
batería de gas respecto al oxígeno, propuso una utilidad práctica de la pila para determinar la
composición volumétrica de una mezcla gaseosa, particularmente la pureza del aire.
En 1845, Grove presentó los resultados de los experimentos adicionales a la Royal Society de
Londres e introdujo la batería voltaica de gas como un instrumento para medir la vaporización.
Utilizó yodo y fósforo, materiales no conductores, y los suspendió en nitrógeno dentro de los
tubos de la batería, y la celda dio corriente eléctrica. También probó con otros cuerpos
volátiles electropositivos, como el alcohol, el éter y el alcanfor, juntándolos con el nitrógeno en
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el ánodo y asociándolos luego con el oxígeno observo que también las celdas entregaban
corriente eléctrica.
Tras todos estos experimentos, en 1845 fue cuando Grove propuso que su batería de gas
podría ser una fuente de electricidad a partir de combustibles convencionales.
Sir William Robert Grove (1811-1896), jurista de profesión y físico de vocación
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Gestión de campo eólico
Campo eólico
La energía que genera un campo eólico es directamente proporcional al flujo de viento que
hay en la zona, así que para seleccionar la ubicación de un campo eólico se tiene que tener en
cuenta, que el flujo de aire no es constante, por lo que si lo trasladamos a una gráfica
obtenemos el siguiente resultado.
Gráfica de velocidad y dirección del viento
La gráfica representa un día cualquiera, se puede observar que comienza a las 12 de la noche y
termina a las 12 de la noche del día siguiente, como vemos, los mejores niveles de viento
“No siempre sopla el viento a favor de todos”
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desde dan entre la 1 del medio día y las 12 de la noche, mientras que al inicio de la gráfica,
desde las 12 de la noche hasta la una de la tarde, los niveles son bastante bajos.
Gráfica de consumo energético
Por el contrario en la gráfica de consumo de energía se puede observar que la mayor demanda
de energía se produce desde las 8 de la mañana hasta las 12 de la noche.
Lo ideal es que la gráfica de consumo energético coincida a la perfección con la de generación
de energía, pero esto no ocurre, ¿cómo gestionar entonces la energía del campo eólico?
Parece que la mejor opción es reservar parte de la energía sobrante durante las horas en las
que sopla el viento con mayor fuerza, para después entregarla en base a la demanda de
energía requerida.
Colmo los aerogeneradores no son capaces de suministrar la energía en ese momento, el
campo eólico debe disponer de un sistema de almacenamiento de energía, que funcione de
manera eficiente. Otras alternativas para regular el flujo de energía demandado al campo es
contar con líneas auxiliares de abastecimiento, como puede ser una central de carbón,
volantes de inercia para regular los picos de demanda.
Lo que interesa realmente es evitar el uso de energía externa al campo, por lo que se requiere
montar un grupo de electrolizadores, depósitos de hidrógeno y pilas de combustible.
El sistema funciona de la siguiente manera:
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Suponiendo que el flujo de aire es mucho mas alto que la demanda de energía, la energía
solicitada se entrega al cliente y la sobrante se envía a un conjunto de electrolizadores, el gas
producido por los electrolizadores se guarda en depósitos de hidrógeno y de oxígeno.
Cuando la demanda de energía es mayor que la que se puede conseguir con el flujo de aire, es
entonces cuando se requiere un aporte de energía, que puede ser producido por las pilas de
combustible, éstas se pueden instalar en paralelo, conectando progresivamente el número de
pilas necesarias y jugando con la presión de los gases introducidos en ellas ya que a más
presión, mayor densidad de gas y por tanto mayor intensidad de flujo.
El sistema ha de ser capaz de calcular el número de pilas de combustible que deben estar en
marcha a la temperatura adecuada. Para optimizar el rendimiento de las pilas de combustible,
el oxígeno producido mediante el electrolizador se aprovechará, es otro método de regular la
intensidad eléctrica producida por las pilas de combustible, la pila de combustible funcionando
con oxígeno puro tiene una mayor eficacia además de evitar problemas de deterioro del
electrolito debida a la mezcla de gases que componen la atmosfera.
Diagrama de campo eólico
¿Cómo controlar los electrolizadores?
Cuando los aerogeneradores están funcionando se genera energía que se entrega a la red de
distribución, entonces se toman dos medidas, la medida 1 es la intensidad entregada a
distribución, mientras que la medida 2 es la que se está derivando al conjunto de
electrolizadores, dependiendo de la medida del medidor 2 comparada con la del medidor 1, se
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enviará más energía a los electrolizadores o menos, la cantidad con el fin de prolongar la
durabilidad de los electrolizadores, se evita tener en marcha todos a la vez, por lo que se
activan sólo los que puedan soportar un rendimiento del 80%, el resto se mantienen apagados.
En el momento en el que hay una demanda mayor de energía de la que los aerogeneradores
son capaces de suministrar, entrando en juego las pilas de combustible, arrancando
sistemáticamente el número de pilas necesario, con el fin de conservar la durabilidad de las
mismas. Dependiendo de la cantidad de energía requerida por el sistema de pilas de
combustible, se puede aumentar o disminuir de 0 a 4 bar, los niveles de hidrógeno y oxígeno.
En el caso de que la demanda supere las posibilidades de generación eléctrica del campo
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Pilas de combustible
Siguiendo el proceso electroquímico de las pilas de combustible, existe una gran variedad de
pilas, éstas se clasifican según el tipo de electrolito utilizado, siendo las más eficaces y
utilizadas las que se muestran a continuación:
PEMFC (Membrana polimérica)
AFC (Alcalina)
PAFC (Ácido fosfórico)
MFCF (Carbonatos fundidos)
SOFC (Óxidos sólidos)
DMFC (Metanol directo)
Tipos de pilas según electrolito 1
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Reacciones producidas en cada tipo de pila según electrolito
Recordemos el principio de funcionamiento básico de las pilas de combustible con el ejemplo
de funcionamiento de una celda PEMFC.
La pila de combustible es un elemento electroquímico que transforma directamente la energía
química de un reactivo en eléctrica, con la particularidad de que los reactivos químicos se
inyectan en la pila desde el exterior, los reactivos más usuales son el hidrógeno y el oxígeno.
(Fig1) (Fig2) (Fig3)
(Fig4) (Fig5)
Éstos reactivos se introducen en el interior de la pila de manera independiente, hidrógeno
representado en color rojo y oxígeno color azul (Fig1), con el contacto con unos elementos
catalizadores, se desprenden o disocian los electrones de las moléculas de hidrógeno , de tal
manera que la molécula queda reducida dos iones de hidrogeno liberando dos electrones que
circulan a través de un circuito exterior (Fig2), los iones de hidrógeno atraviesan una capa o
membrana fabricada de un material que sólo permite el paso de los iones de hidrógeno
evitando el paso de las moléculas de hidrógeno y los electrones, la capa o membrana es
dieléctrica (no es conductora eléctrica) es el electrolito, que en el caso de las celdas de
combustible PEMFC se trata de una membrana PEM (Protón Exchange Membrane) los iones de
hidrógeno al atravesar la PEM llegan a la celda donde se encuentra el oxigeno (Fig3), donde
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gracias al material catalizador se disocia la molécula de oxigeno para lo cual hacen falta dos
electrones, que son los que se desprendieron de la molécula de hidrógeno y se transportaron
por el circuito exterior (Fig4) formando de ésta manera moléculas deH2O (Fig5) o lo que es lo
mismo, agua. Como el aire de la atmosfera que es el que se suele utilizar en las PEMFC no es
oxígeno puro, no sólo se produce agua, si no que se producen además otros componentes
como el nitrógeno (en menor
medida) como puede verse en
la figura " Célula de combustible
teórica", es por ello por lo que
si en lugar de introducirse aire
atmosférico se introduce
oxígeno puro, el resultado es
H2O.
Es decir, lo que se aprovecha
de toda esta reacción
electroquímica es el paso de
electrones y la diferencia de
potencial que se genera entre
los electrodos de la celda de
combustible.
Los electrodos de la celda de hidrógeno (electrodo ánodo) a la celda de oxígeno (electrodo
cátodo), han de estar fabricados de un material conductor de corriente eléctrica ya que
cuando el catalizador separa los electrones de los protones, éstos han de circular a través de
un conductor hacia el cátodo.
Cuanto mayor sea la reacción en los catalizadores del ánodo y del cátodo, mayor será el flujo
de electrones, es por eso que la corriente eléctrica o flujo de electrones es directamente
proporcional a la superficie del catalizador, así como a la presión del gas en ambas celdas. Si se
corta el flujo de electrones o de iones, no se produce reacción, por lo que no hay consumo.
Cuanto más rápida sea la reacción mayor temperatura se alcanza en la pila de combustible. De
la misma manera, cuanto más puros sean los gases, más eficaces los catalizadores y la
membrana o electrolito y mejor se aproveche el calor producido por las reacciones, mayor
rendimiento producirá la pila de combustible.
Como se verá más adelante, dependiendo del tipo de electrolito empleado, la reacción que se
produce dentro de la pila será de un tipo u otro, tal y como describe el siguiente gráfico.
Célula de combustible teórica
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Reacciones en los distintos tipos de pilas de combustible
Técnicamente en las células de combustible se produce una reacción REDOX (reducción y
oxidación), esto significa que en el ánodo, se produce una oxidación del hidrógeno mientras
que en el cátodo se produce una reducción del oxígeno, creando una diferencia de potencial
entre ánodo y cátodo.
Gráfico sobre distintos tipos de pilas de combustible
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AFC Pila de combustible alcalina
Es una de las primeras pilas de combustible modernas, desarrollada a principio de los años 60.
Como dato curioso, mencionar que son las pilas que proporcionaban energía a las naves del
proyecto Apollo de la NASA, en la imagen superior, se puede observar a 3 miembros técnicos
del proyecto brindando con el agua resultante de la pila de combustible, por cierto, la pila no
solo generaba energía a la nave si no que la aprovisionaba de agua, que mezclada con unas
sales minerales era potabilizada.
El principio de funcionamiento en las celdas de
combustible es prácticamente el mismo, se trata de
descomponer las moléculas de hidrógeno y oxígeno
para posteriormente recombinarlas formando agua. En
el proceso, se genera un flujo de electrones que es
aprovechado para obtener la energía eléctrica, en el
caso de la pila de combustible alcalina (Alcaline Fuel
Cell)el electrolito es un álcali, uno de los electrolitos
mas utilizados es el KOH (hidróxido de potasio también
conocido como potasa cáustica), alojada en una matriz
generalmente de amianto. Este tipo de celdas pueden
alcanzar eficiencias de generación eléctrica de hasta un
70% debido a la
velocidad a la que
tienen lugar las reacciones que se producen en ella,
tiene el inconveniente que los gases que se utilizan
han de ser puros ya que el CO y CO2 que acompañan al
hidrógeno tras su reformado al entrar en contacto con
el electrolito, reacciona formando K2CO3 (carbonato),
lo que produce el envenenamiento del electrolito,
reduciendo la movilidad de los iones OH- que
atraviesan el electrolito y por tanto, reduciendo el
rendimiento. Otro problema de este tipo de pilas es
que producen una gran intensidad de corriente con
una diferencia de potencial muy baja, la solución suele ser la
conexión en serie para aumentar la tensión.
Pila de combustible Proyecto Apollo 1
KOH (Hidróxido de potasio)
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Debido al coste requerido para conseguir la pureza del combustible, las AFC son poco
rentables, por lo que se utilizan principalmente en aplicaciones militares, aunque
recientemente han sido empleadas en instalaciones estacionarias de baja potencia.
La AFC opera en rangos de temperatura similares a los de la PEMFC, entre 150 y 200ºC, Para
este tipo de celdas, se utiliza una concentración de KOH de entre el 25 y el 50% de KOH, el
calor residual puede utilizarse como calefacción o para calentar agua, los catalizadores que se
utilizan a estas bajas temperaturas han de estar compuestos por metales nobles tipo PT, en el
caso del ánodo se suele utilizar platino o paladio y en el caso del cátodo oro o platino o bien
carbono dopado con platino, aunque en estos últimos años algunos fabricantes de pilas de
combustible alcalinas han utilizado materiales no metálicos. La presión de trabajo típica está
entre 1 y 2 bares.
Existen pilas AFC que operan a una temperatura alrededor de los 250ºC, permitiendo que el
rango de electro catalizadores sea mayor pudiendo utilizarse níquel, plata, óxidos metálicos y
por supuesto metales nobles. Referente al electrolito, la concentración de KOH ronda el 85%,
al producirse una temperatura de estos niveles, el calor residual puede emplearse en sistemas
de cogeneración.
La reacción química es la siguiente:
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El resultado de estas reacciones es que en el ánodo se forma agua.
Proceso electroquímico en la celda alcalina:
En el cátodo, gracias al catalizador, las moléculas de oxígeno en contacto con el H2O (agua con
la que se compone la propia disolución de KOH del electrolito), el material catalizador y al
aporte de 2 electrones procedentes del ánodo, forman el ión OH- que atraviesa el electrolito
dirección al ánodo, donde al unirse con las moléculas de hidrógeno (proceso acelerado por la
acción del catalizador), se forman moléculas de H2O desprendiéndose en la reacción 2
electrones que viajan por el circuito exterior hasta llegar al cátodo para repetir el proceso una
y otra vez hasta consumir el Hidrógeno o el oxígeno.
Nota de interés:
Pese a que el proceso de fabricación y los materiales empleados actualmente requiere un
coste elevado, se esta investigando con el fin de reducir el coste de dichos materiales para
comenzar la fabricación en serie.
La mejora que se está realizando en las pilas de combustible alcalinas por parte del centro
francés, CNRS (Centre National de la Recherche Scientifique) consiste en sustituir el cátodo de
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la pila de combustible actual, por un cátodo de LiMnO2, que surge del depositado de Dióxido
de Magnesio en Carbón negro y la posterior inserción del ión de Litio, proveniente de la
disociación del electrolito alcalino LiOH, este componente se prevé que sustituya al actual
electrolito alcalino actual KOH.
Finalmente las mejoras afectarían a una mayor eficiencia termodinámica, una mayor
estabilidad de la diferencia de potencial en los electrodos, mayor capacidad por superficie de
electrodo y mayor tensión de servicio (pasando de 1V a 4,60V), reduciendo de este modo el
número de celdas del stack para producir la potencia requerida.
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Propuesta de pila alcalina con carbón activado:
A continuación propongo la realización de una pila e combustible con carbón activado, para
ello el carbón activado ha de ser un tipo de carbón conductor.
Como electrolito se utilizría la disolución de KOH al 80%, lo que nos permitirá alcanzar
temperaturas de catalización de 200º, mezclándose el carbón activado con limaduras de acero
inoxidable de forma que en los poros de carbón existan una serie de pequeños catalizadores
que aprovechen el hidrógeno y favoreca la reacción electroquímica.
Este modelo de pila básicamente utiliza el mismo proceso electroquímico que la típica pila
alcalina, variando en gran medida su construcción.
Otra posibilidad radica en emplear una lámina de carbón activo en sustitución del carbón
activo granulado.
Antes de seguir con la explicación sobre el diseño de pila, hablemos sobre alguno de sus
componentes.
Carbón activado término genérico que describe
una familia de adsorbentes carbonáceos altamente
cristalinos y una estructura poral interna
extensivamente desarrollada. Existe una amplia
variedad de productos de carbón activado que
muestran diferentes características, dependiendo
del material de partida y
la técnica de activación
usada en su producción.
Es un material que se caracteriza por poseer una cantidad muy grande de micro poros (poros menores a 1nanometro de radio). A causa de su alta micro porosidad, un solo gramo de carbón activado puede poseer áreas superficiales de 500 m² aunque algunos tipos de carbones activados llegan a 2500 m²/g. A modo de comparación, una cancha de tenis tiene cerca de 260 m².
Bajo un microscopio electrónico, la estructura del carbón activado se muestra con una gran cantidad de recovecos y de grietas. A niveles más bajos se encuentran zonas donde hay pequeñas superficies planas tipo de grafito, separadas solamente por
Detalle porosidad del carbón activo
Carbón activo
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algunos nanómetros, formando microporos. Estos microporos proporcionan las condiciones para que tenga lugar el proceso de adsorción. La evaluación de la adsorción se hace generalmente mediante la adsorción nitrógeno gaseoso a 77 en condiciones de vacío.
Radios porales
La determinación de la distribución de los tamaños de los poros es una forma extremadamente útil de conocer el comportamiento del material. La IUPAC define la distribución de radios porales de la siguiente forma:
Micro poros r < 1 nm Meso poros r ≈ 1-25 nm Macro poros r > 25 nm
Los macro poros son la vía de entrada al carbón activado, los meso poros realizan el transporte, y los micro poros la adsorción.
Tamaño:
Cuanto más fino es el tamaño de las partículas de un determinado carbón activado, mejor es el acceso al área superficial y más rápida es la tasa de cinética de adsorción. En sistemas de fase vapor, este factor se debe considerar junto con la caída de presión, que afecta directamente a los costos energéticos. Una elección cuidadosa del tamaño de las partículas puede proveer significativos beneficios operativos.
Proceso del carbón activado
El proceso del carbón activado se basa en producir un carbón a partir de materiales como cortezas de almendros, cáscara de coco, turba, petróleo, brea, polímeros, nogales, palmeras, y carbón mineral. Este proceso puede dividirse en dos tipos:
Activación física (térmica). Se lleva a cabo en dos etapas; la carbonización, que elimina elementos como hidrógeno y oxígeno para dar lugar a una estructura porosa rudimentaria y la etapa de gasificación del carbonizado que se expone a una atmósfera oxidante que elimina los productos volátiles y átomos de carbono, aumentando el volumen de poros y la superficie especifica. El proceso se efectúa en distintos hornos a temperaturas cercanas a 1000ºC
Activación química. El material se impregna con un agente químico que puede ser ácido fosfórico o hidróxido de potasio y se calienta en un horno a 500-700℃. Los agentes químicos reducen la formación de material volátil y alquitranes, aumentando el rendimiento del carbón. El resultante es lavado para la eliminación de ácido.
El tipo de material con el que se produce el carbón activado afecta el tamaño de los poros y las características de regeneración del carbón activado. Los dos tipos de clasificación son: carbón activado en polvo, con diámetro menor o igual a 0.25mm y el carbón granular, con diámetro superior a los 0.25mm.
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Aplicaciones
Uso médico
El carbón activado es utilizado como agente adsorbente para tratar envenenamientos y sobredosis por ingestión oral. Previene la absorción del veneno en el estómago. Tiene nombres comerciales como InstaChar, SuperChar, Actidose y Liqui-Socarra, pero por lo general se le llama simplemente carbón activado.
Filtros para aire, gas comprimido y purificar el agua
Los filtros con carbón activado se utilizan generalmente en la purificación de aire, agua y gases, para quitar vapores de aceite, sabores, olores y otros hidrocarburos del aire y de gases comprimidos. Los diseños más comunes utilizan filtros de una o de dos etapas, donde el carbón activado se introduce como medio filtrante. También tiene uso para purificación del agua de lluvias en zonas donde esta es usada para usos domésticos.
Usos ambientales
Las propiedades de adsorción del carbón activado son muy útiles en la eliminación de contaminantes del aire como de flujos de agua implicados en procesos industriales:
Limpieza de vertidos Recuperación de aguas superficiales Tretamiento de agua potable Purificación del aire Recogida de compuestos volátiles procedentes de procesos industriales como pintura,
limpieza en seco, repostaje de combustible...
Propiedades
Existen filtros de carbón activado a los que se les agrega plata para que no se desarrollen bacterias en él.
Los filtros con partículas más pequeñas de carbón activado tienen generalmente una mejor tasa de absorción. Por otro lado, la acidez y temperatura del agua a filtrar influyen en el desempeño del filtro de carbón activado. A mayor acidez y menor temperatura del agua, el desempeño de los filtros de carbón activado mejora. El asbesto no puede ser eliminado del agua a través de un filtro de carbón activado.
El tamaño del poro del carbón activado y el tamaño de las partículas a filtrar también influyen en la vida y capacidad de filtración del filtro de carbón activado. Por lo que la única forma de saber si un filtro de carbón activado ha dejado de funcionar es hacer un análisis del agua resultante del filtro, pues ni el sabor u olor pueden ser un referente certero. Una vez que se ha saturado un filtro de carbón activado, el agua que pase por él, resultará más contaminada que si no se filtrara.
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El tipo de carbón propuesto para la realización de la pila es el siguiente:
Proveedor (China): Jianlong Zhu (Shenzhen Lvchuang Environmental Equipment Co.,
Ltd.)
Tipo: LC-AC
Descripción del producto:
Carbón activado para el tratamiento de aguas residuales
A) Características
1)Diámetro del micro poro 10-40A
2) Contiene grupos funcionales orgánicos amplios, con características excelentes en
adsorción y oxidación y reducción en fase líquida y caseosa.
3) Características excelentes de la desorción y de la regeneración.
4) Alta resistencia ácida y resistencia del ácali.
5) Soporta una gran carga de temperaturas.
6) Buena conducción eléctrica.
Usos:
1) Se utiliza para la purificación de
aire, fijando O3, SO2 y NO2 por
adsorción además de hedores y
humos.
2) Tratamientos de aguas
residuales, de uso doméstico
médico e industrial, eliminando
desde bacterias hasta metales.
Electrodos formados por malla de acero inoxidable:
Rollo de carbón activo 1
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Por ejemplo, las fabricadas en ORION PLANET,SL (Barcelona) http://www.orionplanet.com. Para
realizar el primer montaje utilizaría la malla "LIBRA 1500" ya que una de sus características es
que es de acero inoxidable, con una superficie de acero del 95% estructurada de manera que
permite el paso de gas a través del 5%, que permite la reacción electroquímica sobre toda la
superficie del electrodo.
Imagen ampliada de la malla libra 1500 1
El nuevo modelo de pila propuesto:
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Como se puede observar en el gráfico los elementos de izquierda a derecha son: placa bipolar
difusora de gas, construida con grafito con un diseño fractal para repartir más eficientemente
el gas.
Diseño de placa bipolar con
canalización tipo fractal
El gas que se inserta en el ánodo es hidrógeno, siempre controlando que haya la misma
presión de hidrógeno que de oxígeno para evitar que se mezcle en el interior de la pila, aunque
este problema se puede resolver insertando membranas de teflón entre el gas y las láminas de
acero, tanto en el ánodo como en el cátodo.
La siguiente capa es el electrodo positivo, éste se disocia de una malla de acero inoxidable
cuya función es ejercer de catalizador del hidrógeno. La siguiente capa es una tela de carbón
activo aun que es posible que sea mejor sustituir la tela de carbón activo por una mezcla de
limaduras de acero inoxidable y carbón activo granulado, en ambos casos tratados de manera
que sean conductores eléctricos, a modo de esponja que gracias a los efectos de capilaridad y
tensión superficial mantendrá el KOH en contacto con la malla de acero impidiendo que fluya
el electrolito al exterior de la misma y haciendo contacto con la malla. Recordemos que en el
experimento de Grove, no se obtenía la reacción electroquímica en toda la superficie de
platino, si no que se producía tan solo en una pequeña parte que estaba entre el ácido y el
electrodo, con este sistema la superficie de contacto acaba siendo la malla completa.
La capa de carbón activo tiene una doble función, gracias a su elevada porosidad es capaz de
almacenar una cantidad de hidrógeno que posteriormente puede ser convertido en energía
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eléctrica desde el interior de la pila, puede introducirse el hidrógeno de dos maneras, la
primera es inyectándolo directamente en forma de micro burbujas que quedarían retenidas en
los poros y grietas del carbón , la segunda es mediante un proceso de electrolización del KOH,
el carbón activo al ser conductor produciría el hidrógeno desde el interior de los poros
reteniéndolo dentro de él permitiendo la reversibilidad del proceso de electrolisis,
recuperando parte de la energía (útil para vehículos híbridos), además es posible que se
favorezca de este modo la transferencia iónica.
Por último se encuentra la capa de electrolito de KOH, es necesario buscar la concentración de
la disolución ya que ha de permitir alcanzar temperaturas de 200 grados centígrados y además
ha de permitir que se produzcan los efectos de tensión superficial y capilaridad deseados.
Si seguimos analizando los componentes de la pila observamos una nueva capa de carbón
activo, una de acero, la entrada de oxígeno y la placa bipolar. Todos los elementos que hay a
continuación, en la sección del oxígeno funcionan de la misma manera que los elementos
situados en la sección del hidrógeno.
Al trabajar a 200°C el agua que se genera como residuo se elimina mediante vapor.
Respecto a la presión de los gases, dependerá de la precisión en el control de presión
sincronizado tanto del oxígeno como del hidrógeno, pues cualquier diferencia significativa de
presión puede hacer que se mezclen los gases y se desplace el electrolito.
El diseño del stack varía sensiblemente puesto que para evitar que se humedezca en mayor
proporción los catalizadores de las celdas del final del camino del gas, éste se introduce y se
extrae de cada celda independientemente constantemente, esto permite asegurar la humedad
del gas y la detección de fugas en cada una de las celdas, permitiendo un control,
mantenimiento y explotación del sistema óptimo.
El stack:
En un principio el sistema está diseñado para una aplicación estacionaria, por ejemplo una
urbanización en la que varias familias, ha instalado una pila y ellos mismos generan la energía
que utilizan mediante aerogeneradores y placas solares.
El stack diseñado no es el que habitualmente se conoce en las pilas de combustible, se
propone un stack separado por módulos e interconectado eléctricamente y físicamente
mediante cableado, conducciones de gas y electrolito.
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Cada stack es controlado por un sistema que determina su funcionamiento, su control como
pila de combustible o como electrolizador y además permite prescindir de las unidades que no
funcionan correctamente, permitiendo de esta manera el mantenimiento y la explotación
optima del sistema.
Para evitar pérdidas en el sistema, cada stack ha de ser capaz de suministrar unos 13Vcc ya
que con la resistencia interna de la interconexiones se pierde una pequeña parte de la energía,
por supuesto el dimensionamiento de los conductores ha de ser acorde con la energía que han
de transportar para evitar pérdidas de por calor.
A continuación se muestra un ejemplo de funcionamiento.
Esquema de funcionamiento compartido modular
Como se puede ver en el esquema, el sistema se compone de una matriz de conmutación, una
serie de stacks cuyo funcionamiento es de 12Vcc y pueden ser utilizados tanto para generar
hidrogeno y oxigeno como para producir energía eléctrica. El sistema necesita también unos
módulos que gestionan el hidrógeno y el oxígeno, una matriz de conmutación eléctrica cuya
función es enviar o recibir energía de manera selectiva de los diferentes stack además de
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recibir energía de fuentes alternativas y finalmente enviar la resultante de energía a un
ondulador que convierte la energía de 48Vcc a 220Vac para el uso doméstico. La matriz es
capaz de paralelar stacks en caso de tener que aportar una mayor demanda de potencia.
En el caso de que falle tanto el viento como la luz solar y se consuma totalmente el hidrógeno
o el oxígeno, la energía que se distribuye a los hogares es la introducida en la entrada auxiliar
del ondulador, ya que mientras que hay energía procedente del sistema a la entrada del
ondulador, la energía que toma es la producida por el sistema, comentar en este punto que la
energía de las pilas de combustible, tan solo se utiliza cuando la energía suministrada por las
fuentes alternativas no es capaz de suministrar la potencia necesaria.
Cada uno de los elementos del gráfico está supervisado por un MCC03 (un micro controlador
con sus circuitos asociados) que vigila y controla el correcto funcionamiento. Cualquier alarma
es enviada a un PC conectado a internet que se encarga de llamar al servicio técnico con el fin
de subsanar cualquier incidencia, conmutando a su vez a un equipo de reserva para suplir al
elemento defectuoso y evitar así cortes en el suministro.
La gestión del hidrógeno y del oxígeno se hace mediante un controlador de presiones y electro
válvulas, la sección que hace de electrolizador irá conectada a un presurizador.
Si no se quiere depender de la red eléctrica, se puede instalar un grupo electrógeno
alimentado con gasoil que funcionaría tan solo en caso de necesidad. Dado que el tiempo de
arranque de este tipo de grupos electrógenos es apenas 20 segundos, puede haber un sistema
de baterías que actúen durante ese tiempo para evitar micro cortes en el suministro.
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PEMFC Pila de combustible de membrana polimérica
Protón Exchange Membrane Fuel Cell A finales de los años cincuenta Leonard Niedrach y Tom Grubb
idearon un sistema de pila de combustible utilizando una
membrana de intercambio de protones, conocido también
como pila de combustible de polímero sólido.
Durante los años sesenta fue cuando se realizaron los primeros
desarrollos sobre pilas de combustible PEMFC, éstas fueron
utilizadas para proveer de energía a los vehículos del programa
espacial Gemini.
Pila de combustible
utilizada por la NASA
en el proyecto
Gemini
Descripción:
Es una celda de combustible que utiliza como electrolito una membrana de intercambio de
protones de estado sólido, generalmente fabricada con un polímero solido, éste es un
material consistente en un polímero fluocarbonado a modo de estructura, donde se fijan
ciertos ácidos sulfónicos , [uno de los electrólitos mas conocido es el "nafion" que es un
polímero perfluorado con grupos sulfonato polares].
Este tipo de pilas se utilizan principalmente para usos de generación estacionaria, equipos
portátiles y vehículos.
Roy Mushrush (Director de energía del pr oyecto Gemini)
Thomas Grubb (izquierda) y Leonard
Niedrach
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El único residuo que genera la pila es agua.
La temperatura de funcionamiento es inferior a 80°C
A estas temperaturas les afecta el CO del gas, por lo que el hidrógeno que se ha de utilizar ha
de tener una pureza elevada, reduciendo el contenido de CO a unas pocas partes por millón.
Al tener un electrolito de estado sólido hace más difícil que pueda acceder el gas de una celda
a otra.
La densidad de corriente es elevada con respecto otros tipos de celdas, pero como
contrapartida, la gestión del calor y del agua pueden limitar la gestión de energía.
La pila proporciona entre 0,2 y 0,7 A/Cm2 con un nivel de tensión de entre 0,6 a 0,84V. Se
necesita un Nm3 de Hidrógeno para obtener una potencia media efectiva de 1,30Kw, por lo
que el consumo especifico sería 1/1,30 = 0,77 Nm3/Kw.
Componentes:
Placa bipolar
Los elementos que encontramos a los extremos de la celda son las placas bipolares, éstas
tienen una doble función: por un lado distribuyen los gases por el interior de la celda, por el
otro, son las que conducen el flujo de electrones a través de las distintas celdas al producirse
la reacción electroquímica. La diferencia de potencial que se produce en la celda, se puede
Componentes de un tipo de celda de combustible PEM
39
medir físicamente con un equipo de medida (voltímetro) entre las dos placas bipolares, por lo
que éstas han de estar fabricadas de un material conductor que no se deteriore con la acción
de los grases o sus productos, generalmente de grafito.
Al haber una diferencia de potencial entre las placas bipolares, es posible conectar en serie las
diversas células del stack (conjunto de celdas de la pila) para lograr una mayor diferencia de
potencial, de la misma manera que se conectan en serie las baterías domesticas.
Existen distintos tipos de diseño cuya finalidad es la mejora en la distribución y la presión del
gas.
Diferentes tipos de diseño: (a) Serpentín (b) Paralelo (c) Fractal
Tradicionalmente, la estructura de los canales se ha construido de forma paralela o en forma
de serpentín.
En los modelos con forma de serpentín debido a su longitud, se crean unas altas presiones en
su interior. En los flujos con canales paralelos hay menos diferencias de presión, pero la mezcla
es menos homogénea.
La estructura en fractales es una solución intermedia ya que permite la distribución con una
baja presión y distribuye mejor el gas.
Capa difusora de gas (GDL)
La “Gas Difusor Layer” o capa difusora de gas, permite distribuir de manera homogénea el gas
para que alcance con mayor eficacia la capa catalizadora y que se pueda realizar con mayor
velocidad los procesos electroquímicos, además ha de ser buena conductora para transportar
los electrones desde la capa del catalizador hacia las placas bipolares y viceversa.
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La capa difusora tiene una doble función, aparte de distribuir el gas de manera homogénea ha
de repeler el agua que se forma en la reacción.
Generalmente se construye con papel de carbón, a menudo la capa es recubierta con
partículas de teflón asegurando de ésta manera que el agua producida no entre en los poros
por donde se difunde el gas.
Catalizador
En esta capa se produce la disociación de las moléculas, ha de estar fabricada con un material
que favorezca la reacción, para ello se han de utilizar catalizadores de platino o similares tales
como (Ru, Mo, Pb, Rh, Ir, Re).
La eficiencia de los catalizadores se ha visto incrementada disminuyendo 4 veces la cantidad
necesaria, pasado de utilizarse 4mg de PT por cm2 a utilizar 0,5 mg/cm2.
Membrana PEM
Protón Exchange Membrane o membrana intercambiadora de protones.
A través de ella circulan únicamente los iones de hidrógeno, evitando el paso de electrones o
de las propias moléculas de hidrógeno y oxígeno.
Está hecha de un material consistente en un polímero fluocarbonado a modo de estructura,
donde se fijan ciertos ácidos sulfónicos , uno de los electrólitos mas conocido es el "nafion" un
polímero perfluorado con grupos sulfonato polares.
Las membranas han de estar correctamente humidificadas, puesto que las moléculas de agua
promueven el transporte de protones, cuando las membranas no se encuentran
correctamente hidratadas, se produce una resistencia al paso de iones por lo que se reduce el
rendimiento, además disminuye la vida útil. Para evitar este problema, en algunos casos se
utilizan humidificadores externos que introducen el gas con cierto nivel de humedad, que ha
de ser regulado para evitar el efecto flooding. (Taponamiento de los poros de la capa difusora.)
Otra opción es gestionar el agua que se genera tras la reacción para humedecer las
membranas.
Se está investigando el diseño de membranas auto humidificadoras basadas en la recuperación
procurando que parte del agua se genere dentro de las membranas. Una tercera opción es la
introducción de una nueva capa de gestión de agua, llamada WML, entre la capa catalizadora y
la capa difusora de gas.
41
Comparación de la variación de la conductividad den diversas membranas según la humidificación (RH =
Humedad relativa (%)) Datos obtenidos a 80°C
MEA
Membrane Electrode Assemby.
La capa difusora de gas junto con la capa catalizadora y la membrana han de estar en una
perfecta unión para aprovechar el espacio y evitar pérdidas, es por eso por lo que tras un
proceso termomecánico se unen las capas formando la MEA, puede tener un grosor de 200
micras, pero según la aplicación y la densidad de corriente que se pretende obtener, el grosor
varía.
Imágenes MEA fabricada con "nafion"
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Configuración stack pila de combustible de 5 células
En la figura anterior se muestra un stack de 5 células de combustible, como se puede observar
se compone de las 2 placas de cierre, cuya función es cerrar el stack por ambos extremos y fijar
en ellos los terminales de conexión de la pila, las placas de cierre han de tener una buena
conductividad eléctrica y resistencia mecánica ya que son las placas donde se ejerce mayor
presión mecánica, en éstas placas se realiza el mecanizado para instalar las tomas de gas.
A continuación de las placas de cierre se encuentra la MEA (Membrane Exchange Assembly) y
posteriormente la placa bipolar, este tipo de placa ha de tener también una resistencia
mecánica y buena conductividad eléctrica. Como se puede ver en la figura, por un lado de la
placa circula el Hidrógeno y por el otro el oxígeno, conectando las MEA y las placas bipolares,
se puede hacer un stack con el número de células o celdas que interese para obtener la
tensión deseada.
Recordemos que la diferencia de potencial o tensión se consigue mediante el número de
celdas conectadas en serie (tal cual se encuentran conectadas en el stack de la figura),
mientras que la intensidad o corriente eléctrica la fija la superficie total de la MEA.
En la figura, se muestra el paralelismo que hay entre un stack y la simbología de una batería,
en ambos casos se trata de una pila de 5 celdas, esto es que en el hipotético caso de que cada
celda tuviese una diferencia de potencial de 0,7Vcc, la diferencia de potencial de la pila sería
de aproximadamente 0,7 X 5 = 3,5Vcc.
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Finalmente la pila de combustible tiene un aspecto similar al de las imágenes que se muestran
bajo el texto.
Animación stack
Stack experimental
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La pila PAFC
La pila PAFC (Posphoric Acid Fuel Cell)
Algunos tipos de pila estacionaria tipo PAFC
Esta pila de combustible tiene como electrolito ácido fosfórico (H3PO4) con una concentración
entre un 95% y un 98%, en estado líquido contenido en una matriz generalmente de carburo
de silicio (SiC) situada entre dos electrodos (ánodo y cátodo), fabricados con platino. La
reacción que se produce es la siguiente (la misma que en una PEMFC):
45
El uso habitual de estas pilas suele ser estacionario
pudiendo utilizar hidrógeno procedente de un
proceso de reformado, por ejemplo del gas natural.
El rango de temperatura de funcionamiento oscila
entre 150 y 220°C , ya que a menor temperatura el
ácido fosfórico es un mal conductor iónico, además
por debajo de estas temperaturas el CO contenido
en la generación del hidrógeno a partir del
reformado daña el electro catalizador de Pt del
ánodo.
Al contrario que en las AFC, el CO2 no envenena al
electrolito, si no que en un electrolito de ácido fosfórico actúa como diluyente, evitando la
formación de carbonatos.
Dibujo de una PAFC
El rendimiento eléctrico de este tipo de pilas está entre un 37% y un 42%, siendo el calor que
produce es aprovechable en sistemas de cogeneración, con lo que el aprovechamiento
energético global ronda el 85%.
Diagrama de funcionamiento
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El combustible ha de ser reformado en el interior de la pila, pudiendo provenir del gas natural
o de un derivado del petróleo, el CO se tiene que reducir mediante una reacción de gas de
vapor a niveles inferiores al 3% en la entrada del ánodo, para evitar el envenenamiento del
catalizador.
La composición de la pila es la siguiente:
Se utiliza carbón como soporte del catalizador, el catalizador es platino que se distribuye
uniformemente bastante dispersado por el carbón, (el mejor carbón activo es el "VULCAN
XC72R" por su alta conductividad eléctrica), al estar las partículas de platino dispersas entre el
carbón se abarata el coste.
Para evitar que se taponen los poros de la mezcla entre el carbón y el PT por el los líquidos de
la pila, se emplea un elemento hidrofóbico como el PTFE (teflón).
El electrolito (ácido fosfórico), tiene un buen rendimiento bajo condiciones de alta
temperatura, tolera el CO2 y produce baja presión de vapor. Además tiene una alta solubilidad
para el O2, a alta temperatura es un buen conductor iónico, aunque hay que reponerlo
periódicamente.
La matriz contiene el ácido fosfórico por acción capilar (del mismo modo que el café se
distribuye en contacto con un terrón de azúcar), suele estar compuesta de carburo de silicio
(SiC), con una pequeña cantidad espolvoreada de teflón.
El espesor ha de ser el menor posible, para reducir en lo posible, la resistencia interna al paso
de protones.
Es imprescindible evitar que se junten los gases en el interior de la pila, ha de tener una alta
conductividad térmica y suficiente resistencia mecánica.
Los separadores o placas bipolares evitan que se mezclen los gases dentro de la célula y
distribuyen los mismos por su interior. Han de soportar el ácido fosfórico, ser conductores
térmicos y eléctricos, se suelen fabricar de carbón vítreo o un polímero de carbón, el espesor
de los separadores ha de calibrarse bien, por un lado han de resistir cierta presión y por otro,
han de ser lo mas finos posibles para evitar resistencia eléctrica.
ATENCIÓN: El ácido fosfórico es peligroso para el ambiente; deberá prestarse atención especial al agua y al
aire.
47
La sustancia es corrosiva en ojos, la piel y tracto respiratorio. Corrosiva por ingestión. La
inhalación del vapor puede originar edema pulmonar. La exposición puede producir la muerte.
Los efectos pueden aparecer de forma no inmediata y se recomienda vigilancia médica.
La sustancia se puede absorber por inhalación del aerosol y por ingestión. Por evaporación de
esta sustancia a 20ºC no se alcanza, o se alcanza sólo muy lentamente, una concentración
nociva en el aire.
Los síntomas del edema pulmonar no se ponen
de manifiesto, a menudo, hasta pasadas
algunas horas y se agravan por el esfuerzo
físico. Reposo y vigilancia médica son, por ello,
imprescindibles. Debe considerarse la
inmediata administración de un aerosol
adecuado por un médico o persona por él
autorizada.
La sustancia polimeriza violentamente bajo la influencia de compuestos polimerizables. Por
combustión, formación de humos tóxicos (óxidos de fósforo). La sustancia se descompone en
contacto con metales, alcoholes, cianuros, cetonas, fenoles, sulfuros, halogenados orgánicos,
produciendo humos tóxicos. La sustancia es moderadamente ácida. Ataca a los metales
formando gas inflamable de hidrógeno.
No verter nunca agua sobre esta sustancia; cuando se deba disolver o
diluir, añadir muy lentamente el ácido al agua mezclando
continuamente.
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La pila MCMFC
Molten Carbonate Fuel Cell pila de combustible de carbonato fundido
La primera pila de este tipo fue desarrollada en la década de los 50 por Broers y Ketelaar.
Construcción de una MCFC
El electrolito es una sal carbonatada fundida de K2CO3/Li2CO3, al ser un electrolito líquido se
ha de mantener en una matriz cerámica de LiaOLO2. La temperatura de funcionamiento está
entre los 650 y 700°C, al funcionar a estas temperaturas los catalizadores son más baratos que
los de las celdas de baja temperatura, los reactivos son H2 y O2 y aun que se produce CO2, las
prestaciones de la pila lo compensan, prestaciones tales como la posibilidad de funcionar con
49
el reformado de bio-combustibles, mejorando el rendimiento del cátodo, resultado del
enriquecimiento en CO2.
Como inconveniente, el electrolito es muy corrosivo, con una baja tolerancia al azufre
procedente del reformado de gas natural, ha de contenerse con acero inoxidable y demás la
alta temperatura provoca problemas en los materiales acortando la vida de los mismos.
Otro problema surge al trabajar a temperaturas tan altas no existen materiales que
impermeabilicen la estructura porosa contra los carbonatos, por lo se ha de utilizar una técnica
diferente a las de las pilas PEMFC o las AFC. Esto se logra ajustando la estructura de los poros
de la matriz y de los electrodos, con lo que las fuerzas capilares establecen un equilibrio
dinámico en las diferentes estructuras porosas.
El transportador de carga es el ión CO3 -2. Puede utilizar como combustible gas natural o
hidrógeno producido en el reformado de carbón ya que no necesita hidrógeno puro. Como
catalizador suele utilizar una estructura porosa de níquel de aproximadamente 0,5mm siendo
el tamaño de los poros de unas 5 micras con un nivel de porosidad del 60 al 70%, en el ánodo
mientras que en el cátodo se utiliza el óxido de níquel, aunque tiende a ser sustituido por
aleaciones de Ni-Al o Ni-Cr al ser más resistentes a la corrosión. Como material catódico se
utiliza el NiO, normalmente de 0,3mm de espesor y del 70 al 80% de porosidad con un tamaño
del poro de 10 micras. Con el tiempo el Ni se disuelve formando filamentos entre los
electrodos cortocircuitándolos, la solución a éste problema es añadir pequeñas cantidades de
MgO.
Este tipo de pilas son utilizadas en plantas de generación de energía y rondando la eficacia
entre el 60 y el 90% (si se aprovecha el calor residual).
La reacción electroquímica es la siguiente:
50
Esquema básico de una MCFC
Atención a la reacción en el cátodo, ya que ésta necesita O2 y CO2, por lo que se ha de recoger
parte del CO2 generado en el proceso de reformado para introducirlo de nuevo en la pila y lo
transporte al cátodo.
51
Existen pilas de variados tamaños y potencias como se muestra a continuación:
Ejemplos de diversas pilas MCFC
52
La pila SOFC:
Pila de combustible de óxido sólido.
La pila con mayor periodo de desarrollo continuado, comenzando en los años 50 (antes
incluso que las AFC).
Utilizada en aplicaciones de alta potencia como generación de energía a gran escala, e incluso
es posible el uso en vehículos.
El electrolito utilizado es un óxido sólido, normalmente un material duro y cerámico, para
permitir que la temperatura llegue a los 1000 °C en su interior y el electrolito se vuelve
conductor permitiéndola oxidación de iones.
La eficiencia de las celdas llega al 60%, suelen disponerse en tubos de 1 metro de longitud
aunque hay diseños en forma de discos comprimidos.
El electrolito suele ser de óxido de zirconio con adiciones de itrio o de calcio; la presión de
funcionamiento es elevada; debido a la alta temperatura de funcionamiento, no necesitan
catalizadores de metales preciosos, lo que permite reducir el coste del equipo además de
aumentar la tolerancia al CO.
El ánodo esta fabricado con ZrO2 dopado con Ni mientras que en el cátodo se utiliza LaMgO3
(estroncio dopado con óxido de lantanio-magnesio). Ambos electrodos son porosos para que
los gases puedan llegar al electrolito.
Al trabajar en este rango de temperaturas, se puede utilizar el calor sobrante para
cogeneración, de tal manera que la eficacia global se ve aumentada hasta un 90%.
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Diagrama básico de celda de combustible SOFC
54
La pila conduce iones de oxígeno desde un
electrodo de aire (cátodo), donde se forman, a
través de un medio sólido, hasta un electrodo de
combustible (ánodo). Ahí, reaccionan con el
monóxido de carbono y el hidrógeno, liberando
electrones y por tanto generando electricidad. La
regeneración del gas natural u otros
combustibles que contengan hidrocarburos
puede ser llevada a cabo dentro del generador.
Se suelen montar en grupos de celdas
independientes que conforman el total del
sistema de pila de combustible de óxido sólido.
Estructuralmente las pilas de óxido
sólido son muy diferentes del resto de
pilas. Para formar una celda se
depositan capas delgadas de materia
activa en la parte exterior de un tubo
cerámico poroso. El gas combustible se
alimenta por el exterior del tubo y el
aire por el interior.
A continuación se muestran algunas fotografías de pilas.
Pila de 5Kw
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Mini SOFC
Pila estacionaria
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La pila DMFC
Direct Metanol Fuel Cell
La DMFC es una de las pilas más modernas, en comparación con las AFC y las PEMFC, emplea
metanol como combustible y una membrana de polímero como electrolito, son muy parecidas
a las PEMFC, aunque el combustible es metanol.
La celda trabaja a baja temperatura. El transportador de carga es el H+ y Los electrodos son de
carbono platinizado.
El metanol cruza a través de la membrana del ánodo al cátodo, hace disminuir la actuación del
cátodo y gasta combustible.
De aplicación para teléfonos móviles, ordenadores y cualquier elemento alimentado con
baterías químicas.
Existen problemas críticos que hay que salvar para poder construir pilas de alta potencia, la
cantidad de platino necesaria para su fabricación la hace muy costosa en comparación con las
PEMFC, no obstante, la empresa Motorola, está trabajando en una pila de 200 mA a 0,5v con
un volumen de 10cm3 y una densidad de potencia de 10Kw/m3 y hay otras empresas como
Toshiba, Samsung, SFC Energy, etc... que tienen productos listos para salir al mercado, e
incluso en vías de comercialización.
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La reacción química es la siguiente:
Ánodo: CH3OH + H2O ==> CO2 + 6H + 6e-
Cátodo: 3/2O2 + 6H+ + 6e- ==> 3H2O
Total: CH3OH + 3/2O2 ==> CO2 + 2H2O
Nota: Siempre que el metanol venga de la biomasa la pila es ecológicas ya que el
CO2 que se genera es equivalente al que se consumió en el proceso de fotosíntesis.
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Seguridad
Comparativa del hidrógeno, el gas natural y la gasolina:
En la historia ha habido grandes accidentes con el hidrógeno, quizá el más significativo fue el
incendio en el dirigible Hindenburg (1937), otro accidente impactante fue la explosión en el
despegue del transbordador espacial Callenger (1986) al producirse un fallo en al sistema de
propulsión y provocar éste una explosión en el hidrógeno líquido que se utilizaba como
combustible.
Como se ha visto anteriormente el hidrógeno es un gas inflamable, lo que lo hace peligroso.
Pero ¿hasta qué punto?, ¿hasta qué punto es más o menos peligroso que los gases y
combustibles que utilizamos en la
actualidad y que conocemos su peligro?.
Un parámetro a considerar es la
concentración mínima que ha de haber de
hidrógeno y de oxígeno para producirse
una combustión. Mientras que el grado de
inflamabilidad del gas natural y de la
gasolina son de 5,3% y 1% en volumen
respectivamente, el del hidrógeno es del
4,1%. Eso quiere decir que un recipiente
que contenga un 1% de gasolina ya es
inflamable, mientras que uno con la
misma cantidad de hidrógeno o de gas
natural, no lo es. No obstante el rango de inflamabilidad del hidrógeno es más amplio, está
entre el 4% y el 75% de mezcla en el aire, mientras que el de la gasolina está entre el 1 y el 8%
y el del gas natural entre el 5 y el 15%. La explosividad o lo que es lo mismo la cantidad mínima
de concentración del gas con el aire produce una explosión, la del hidrógeno es del 13%
mientras que la del gas natural es del 6,3% y la de la gasolina el
1,1%.
La energía de explosión del hidrógeno es de
paroximadamente 2 kilotones por metro
cúbico, bastante menor que la del gas natural
(7 kilotones con la misma cantidad), y la de la
gasolina (44 kT/m3). De donde se demuestra
que los riesgos de explosión en depósitos de
hidrógeno son mucho menores que en los
depósitos de gas natural o de gasolina.
Una propiedad que tiene el hidrógeno superior al gas natural y a
la gasolina es el coeficiente de difusión, esto es que en caso de fuga el H2
Incendio del dirigible Hindengurg 1937
Explosión del transbordador espacial Challenger 1986
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que escapa a la atmósfera es mucho más rápido que le gasolina o el gas natural ya que el
coeficiente del hidrógeno es de 0,61 cm2 por segundo, mientras que el coeficiente de difusión
del gas natural es de 0,16 cm2/s y el de la gasolina tan solo 0,05 cm2/s, por lo que el riesgo de
que se formen bolsas de gas en espacios ventilados es mucho menor trabajando con
hidrógeno.
Con respecto a la velocidad de ignición o lo que es lo mismo a la velocidad que progresa la
llama de hidrógeno es extremadamente elevada, 2,7 m/s la del gas natural de 0,4 m/s, lo que
significa que un incendio en el que se queme gas natural o gasolina será mucho más lento que
uno provocado con hidrógeno, lo que es favorable en el peligro que entraña a los depósitos
que pudiera haber a su alrededor ya que al estar menos tiempo ardiendo, las protecciones
térmicas de los mismos aguantan mejor que si se les está aplicando una alta temperatura
durante un tiempo mayor, que es lo que pasaría con el gas natural y sobre todo con la
gasolina.
La energía de ignición del hidrógeno es de tan solo 0,02 mJ, como se puede comprobar
bastante menos que la del gas natural y la de la gasolina, que son 0,29 mJ y 0,24 mJ
respectivamente.
Por último, la temperatura de autoignición del hidrógeno es de 520 °C mientas que la de la
gasolina es solo de 240 °C.
Por tanto, se llega a la conclusión de que el hidrógeno no es más peligroso que los
combustibles que se utilizan en la actualidad, aunque no por ello es un combustible sin riesgo,
por lo que es necesario mantener unas normas de seguridad similares a las de los demás
combustibles.
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Ficha de características del hidrógeno:
Propiedades del hidrógeno
El hidrógeno Seguridad:
El hidrógeno es un gas inflamable, además de asfixiante por desplazamiento del aire.
También es incoloro, inoloro, insípido, altamente inflamable pero no tóxico ni corrosivo.
Se dispersa rápidamente lo que hace que en un ambiente aireado se diluya rápidamente.
61
Tiene muy poca densidad (14 veces menos que el aire).
Cuando se quema forma una llama azul pálido casi invisible.
Es propenso a fugas dada su baja viscosidad y su bajo peso molecular.
Las mezclas de gas y aire son explosivas entre el 4% y el 75% de mezcla.
Algunos de los riesgos que se tienen cuando se trabaja con hidrógeno son los siguientes:
Fuego
Explosiones que, dependiendo de la mezcla se produce una detonación o una deflagración.
Liberación de presión ya que al estar almacenado en tanques o bombonas a altas presiones,
cualquier fuga brusca puede originar un cambio drástico de presión o bien una explosión por
debilitación del casco de la bombona. Para evitar estos riesgos existen una serie de válvulas de
seguridad y discos de ruptura
Fragilización y ataque por hidrógeno que consiste en que ciertos materiales en principio
capaces de transportar y almacenar hidrógeno, con el tiempo los materiales de los que están
hechos van deteriorándose por acción del hidrógeno y debilitándose hasta producir fugas.
Imprescindible utilizar materiales homologados.
Riesgos para la seguridad:
Quemaduras frías debido a la temperatura de los gases.
Quemaduras a 2.323 °Kelvin que debido a la baja emisividad de la llama o a que su combustión
produce una poca radiación en el espectro infrarrojo, no somos capaces de percibir su calor
hasta que se está muy cerca de ella.
Quemaduras por exposición a radiación ultravioleta ya que la combustión produce luz
ultravioleta, produciendo quemaduras similares a las quemaduras solares.
Asfixia por desplazamiento de aire.
62
Los efectos que se sienten cuando una persona se encuentra expuesta a una alta
concentración son los siguientes:
Dolor de cabeza, zumbido en los oídos, mareos, somnolencia, inconsciencia, nausea, vómitos y
depresión de todos los sentidos. La piel puede adquirir una coloración azulada.
En concentraciones de oxígeno inferiores al 10%, puede causar perdida de conciencia,
movimientos convulsivos, colapso respiratorio y muerte.
Primeros auxilios:
Llevar a la víctima al aire libre lo antes posible (utilizando equipos de respiración autónoma).
Solamente el personal entrenado debe suministrar oxígeno suplementario y si fuese necesaria
resucitación cardio-pulmonar. Recibir asistencia médica inmediatamente.
En caso de incendio:
Conocer que la temperatura de ignición es de 571°C , el límite inferior de inflamabilidad es del
4% y el superior del 75%, siendo causa de de ignición cargas electrostáticas o exceso de
temperatura.
El hidrógeno al ser más ligero que el aire puede acumularse en la parte superior de los lugares
cerrados. La presión del cilindro puede aumentar por calentamiento y llegar a romperse si los
dispositivos de descarga de presión fallan.
En caso de incendio, puede apagarse mediante extintores de CO2, polvo químico, rocío de
agua o agua pulverizada.
En primer lugar se evacuará a todo el personal, si es posible y cumpliendo con las normas de
seguridad, se cortará el suministro de gas y se procederá a enfriar las bombonas rociándolas
con agua manteniéndose a la mayor distancia posible, pero atención no extinguir las llamas ya
que si estas se extinguen, puede haber un escape de gas sin quemar y al contacto con el aire
producir una segunda explosión. Por lo que antes de extinguir las llamas es preciso cerrar y
controlar cualquier escape de gas.
Si el problema ocurre en el transcurso de un accidente de tráfico y un camión de transporte de
bombonas se encuentra involucrado en el incendio, se ha de aislar la zona 1600 metros a la
redonda y combatir el incendio a máxima distancia empleando mangueras de alta presión.
63
El personal de rescate ha de contar con un equipo de respiración autónoma y equipamiento
aislante térmico.
En caso de escape de gas, hay que despejar la zona al menos 800 metros, teniendo en cuenta
la dirección del viento. Posteriormente cerrar el suministro. Hay que tener en cuenta que la
llama de hidrógeno es difícil de percibir ya que durante el día es prácticamente invisible y
además no se siente su calor hasta que esta quemando, otro de los problemas s que no se
percibe olor alguno. Para hacer la llama visible, se puede acercar una escoba o cualquier
elemento que prenda. Nunca entrar en la zona donde se encuentra el hidrógeno si la
concentración es mayor del 10% del limite bajo de explosividad (0.4%).
Si el escape se origina por problemas en una tubería o depósito, será preciso inertizar dicho
elemento insertando gas por ejemplo nitrógeno al menos durante una hora. Hasta este
momento no se puede iniciar la reparación. Mientras tanto el área ha de ventilarse y
permanecerá aislada hasta que desaparezca la totalidad del mismo, para controlar la
concentración del gas existe equipamiento además de los propios sensores de seguridad,
aunque no hay que hacer mucho caso de los sensores de seguridad de la sala al haber estado
expuestos a un incendio.
Sensores detectores de hidrógeno
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Manejo y almacenamiento:
Señalización de tubos
Código de colores de bombonas de almacenamiento de gas
Precauciones que deben tomarse durante el manejo de bombonas:
Utilización de carros adecuados para el trasporte de las bombonas.
No arrastrar ni hacer rodar las bombonas.
No transportar en espacios cerrados, como contenedores, furgonetas, baúles etc.
No golpearlas.
No someterlas a altas temperaturas.
Almacenar en lugares ventilados ya que el escape de una bombona puede ocasionar un
aumento de presión.
Durante su uso:
La válvula ha de permanecer cerrada hasta estar correctamente conectada la toma de gas.
No se pueden utilizar herramientas que hagan saltar chispas incluidos martillos de acero.
Una vez conectado el sistema y dado paso al gas, revisar que no hay escape utilizando equipos
de medida o test de agua jabonosa.
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En caso de que algo no funcione correctamente, avisar al fabricante.
No utilizar herramientas inadecuadas para manejar la válvula o cualquier otro mecanismo de la
bombona o la instalación.
Utilización de válvulas de seguridad para evitar entrada de gases en la instalación o bombona.
Nunca hacer que la bombona o la instalación sea parte de un circuito eléctrico.
Jamás descargue el contenido de la bombona o abra una espita de la instalación de manera
inadecuada.
Tras su uso:
Primero cierre la válvula de la bombona o la llave de paso general.
Marque las bombonas vacías con etiqueta que indique que se encuentra vacía.
Las bombonas que hayan sido expuestas al fuego o que tengan cualquier anomalía no han de
ser reutilizadas.
Si hay alguna bombona que presente cualquier anomalía póngase en contacto con el
proveedor, él le dará instrucciones.
Almacenamiento:
Las bombonas se han de almacenar en posición vertical, alejadas al menos 6 metros de
materiales combustibles u oxidantes y a una temperatura adecuada, separadas por una
barrera a prueba de fuego de al menos 1.5 metros de altura y con una resistencia térmica de al
menos 30 minutos.
El área donde se encuentren las bombonas ha de se un área seca, con una temperatura
inferior a 50 °C , bien ventilada lejos de fuentes de ignición o con cargas electrostaticas y lejos
de salidas de emergencia.
Separe las bombonas llenas de las vacías, procurando que la primera que se almacene sea
también la primera en utilizarse.
La zona ha de estar delimitada para personal autorizado.
Señalizada con carteles de "NO FUMAR" y "PROHIBIDO EL PASO A PERSONAL NO
AUTORIZADO"
Extintor de CO2 y sistema de mangueras adecuado.
Dentro del área todos los equipos electrónicos han de ser a prueba de explosiones.
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Señalización y etiquetado de extintores de CO2
Extintores de CO2
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Señalización de tráfico de mercancías inflamables
Equipo de protección individual:
Son necesarios guantes industriales, totalmente limpios de aceites y otros elementos.
Gafas ajustables de seguridad.
Botas con puntera reforzada.
Información adicional:
Real decreto 379/2.001 Que hace referencia a reglamento del almacenamiento de productos
químicos y sus instrucciones técnicas.
Real decreto 681/2.003 Que hace referencia a la protección de la salud y la seguridad de los
trabajadores expuestos a los riesgos derivados de atmósferas explosivas en el lugar de trabajo.
ITC MIE-APQ-5: Sobre el almacenamiento y utilización de botellas y botellones de gases
comprimidos, licuados y disueltos a presión.
ITC MIE-AP-7: Sobre el reglamento de aparatos a presión.
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Control
Diagrama de bloques del sistema:
El sistema está basado en una pila de combustible como generador estacionario, ése sistema
se encuentra instalado en el interior de una sala cerrada herméticamente.
Como se puede ver el sistema se compone de un grupo elementos:
El primer bloque en color verde es el conjunto de sistemas electrónicos de control, los
elementos de color morado representan los sensores y sistemas de la cadena de seguridad, en
color azul marino, se encuentran los sensores y actuadores del sistema, éstos son controlados
mediante la placa de control MCC03 y el interface de potencia "INT4R3MIOPT".
La sección coloreada de rojo es en la cual se trata el hidrógeno, mientras que en la sección
coloreada en azul es tratado el oxígeno.
Todo sistema ha de estar controlado
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Respecto a las secciones de tratamiento de O2 y H2, como se puede observar en el gráfico, son
simétricas, en primer lugar se describe la sección H2. Comenzando de izquierda a derecha el
primer módulo que se encuentra es un depósito de H2, (éste puede ser desde una bombona
de presión hasta un sistema de almacenaje de hidrógeno mediante adsorción), la presión que
hay en el tanque de almacenaje se mide mediante un sensor de presión modelo mpx4250, útil
para controlar el estado de llenado del tanque, a continuación una electro válvula (EV1)
comandada por el MCC03, permitirá el paso de hidrógeno a un depósito previo (DEP1), el
objeto de éste depósito es permitir cierta inercia de presión de los gases mejorando la
precisión de control de presión a la entrada de la pila de combustible, mediante (M1) de mide
la presión que entra en la pila, de tal manera que en ningún momento haya mas presión de
oxígeno que de hidrógeno, ya que esto produciría la rotura de la matriz que aloja ele
electrolito, una vez que el gas entra en la pila de combustible, se produce la reacción
electroquímica, el control de entrada de gas o bloqueo en caso de sobrepasar los límites de
equilibrio se realiza mediante el control que ejerce el MCC03 sobre la electro válvula
(EV3).Otro problema añadido es el vapor de agua resultante de la reacción. El exceso e agua
dentro de la pila de combustible imposibilita la reacción electro química, ya que ésta se
produce en la interfaz electrodo, gas, electrolito. Para evitar la inundación se procede a hacer
circular una corriente de gas eliminando el agua en forma de vapor en el recipiente (Enf
recolector), gracias al motor de control de flujo se consigue mover una corriente de gas que
permite un mayor aprovechamiento del combustible. Para evitar que haya un flujo de retorno
de gas y vapor de agua hacia el interior de la pila de inserta la válvula anti retorno (Ar).
La sección de proceso del oxígeno funciona de manera análoga a la del hidrógeno.
Para evitar accidentes, se incluye una cadena de seguridad, que se compone de varios
sensores distribuidos en diversos puntos de la sala cuya finalidad es detectar excesos de
temperatura, trazas de hidrógeno, excesos de presión por fugas de gas o bien una parada de
emergencia manual. Para informar del estado de la cadena de seguridad se incluye una placa
controladora basada en un procesador PIC 16F84A y un interface de conexión a PC. En el caso
de activación de cualquier elemento de la cadena de seguridad, llega una orden al MCC03 para
el bloqueo y desconexión de la pila de combustible, así como la puesta en marcha del
protocolo de seguridad.
Como es lógico, los sensores de H2 se instalarán en la parte en la que el gas se acumule con
mayor facilidad, mientras que el sensor de presión se instalará en el interior del recipiente
donde se instalan la bombonas de gas, por otra parte los sensores de temperatura controlarán
el sobrecalentamiento de la pila de combustible y el exceso de temperatura de la sala.
70
Placa de control MCC03
La placa de control basada en el micro
controlador PIC 16F874A de Microchip, es
la encargada del procesar los datos que se
introducen en el sistema y actuar en
consecuencia. Según el diseño de la placa
de circuito impreso y del procesador, el
MCC03 es capaz de gestionar datos
digitales, lecturas analógicas, protocolos
de comunicación I2C, protocolo one wire,
gestionar la comunicación y control
mediante PC (siguiendo el protocolo
estándar RS232), posibilita la
interconexión entre varios controladores
mediante bus de datos, indicación
luminosa de testeo del sistema, indicación
luminosa de presencia de tensión.
Alimentaciones auxiliares mediante bus o bien de manera independiente, interconexión con
diversas placas interface, (por ejemplo interface RS232, interface de potencia, etc… también
dispone de un puerto de programación directa sobre la placa del software de gestión del PIC
16F874A.
Gracias al diseño de la familia PIC 16F xx, que trata de mantener la misma estructura física en
todos los PIC de la familia, es posible instalar en la misma placa diversos PIC de la misma
familia.
Originalmente la placa trabajará a una velocidad de 4Mhz pese a que la velocidad sea
perfectamente válida para los requerimientos del sistema, ésta puede aumentarse variar a
20Mhz o a 40Mhz dependiendo del PIC a utilizar (esto, podría ser útil en caso de necesitar
analizar formas de onda dentro del sistema), aunque lo más lógico es reducir la velocidad del
sistema mediante software, a unos pocos khz con el fin de ahorrar energía.
Descripción placa MCC03
La gestión de la información del sistema se inserta en el procesador de la placa mediante
distintos puertos de comunicaciones descritos a continuación:
Como puede verse en la figura, ”Descripción esquema placa de control MCC03”, consta de un puerto
de comunicaciones y alimentación "A- Comunicación PC", 3 puertos de 8 bits, "B - PEAN1, C -
PE1 y D - PS1" de los cuales, el B-PEAN1 se puede configurar además como 8 entradas
analógicas, entradas digitales y salidas digitales que se describirán se describirán dichos
puertos más adelante.
Placa de control MCC03
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Dispone de un conector de alimentación externa (E- Alimentación por si se precisa que la
alimentación no se introduzca mediante bus de control), un conector para la programación del
PIC instalado en la placa (F - Programación),útil para actualización de versiones de software de
control), un conector auxiliar de 4 pines configurables como entrada y salida de datos digitales
en formato RJ45 (G- Aux1), un puerto I2C con alimentación para sus periféricos (H – I2C1),
siendo de utilidad para instalar una mini placa con un chip basado en el protocolo de
comunicación I2C que puede ser por ejemplo un termómetro con reloj.
Un pin para realizar reset hardware local (I – Reset local), un pin para habilitar un reset remoto
a través del bus (J – Reset remoto) y cuatro leds, (L1 – Vcc) indicador de presencia de tensión
de alimentación +5Vcc, los dos indicadores de presencia de tensiones auxiliares (L2- Vcc1 y L3
– Vcc2) y por último el les de test configurable mediante software para la visualización del
control del software.
Placa de control MCC03
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Descripción esquema placa de control MCC03
73
Esquema electrónico placa de control MCC03
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Descripción de los puertos:
Comunicación PC:
Mediante el puerto de “comunicación PC”, se transmiten datos hacia el bus de datos o hacia el
PC, se trata de una comunicación serie TTL que puede ser adaptada a niveles de tensión de
+12cc y -12Vcc según el protocolo RS232, gracias a la tarjeta adaptadora correspondiente.
Interconexión MCC03 con placa RS232
El puerto permite la entrada de alimentación principal de +5Vcc y dos tensiones auxiliares
previstas para alimentar tarjetas interconectadas a la placa de control, que pueden oscilar
entre 2 y 12Vcc.
Las tensiones de alimentación se pueden insertar mediante el bus de datos o bien
directamente en el módulo interface "Placa RS232" en el conector TB1.
Puerto de entrada analógico PEAN1:
La entrada de medidas analógicas al controlador se realiza mediante el puerto PEAN1, son 8
entradas configurables que toman lectura de niveles de tensión de 0 a 5Vcc. La resolución de
lectura de cada uno de estos pines o entradas es de 10 bits, lo que quiere decir que es capaz
de diferenciar 4096 niveles de tensión.
El puerto PEAN1 no solo se puede configurar como entrada de niveles analógicos, es posible
configurar lo como salida de datos digitales o entrada de datos digitales, pero en el caso de
configuración como entradas digitales, hay que tener en cuente que no permite la
configuración interna de las resistencias pull up, por lo que habrá que asegurarse de que en
ningún caso queda el pin o los pines al aire ya que puede producir ruidos en el puerto.
Los pines 10 y 9 transportan las tensiones auxiliares Vcc1 y Vcc2 respectivamente.
75
Puerto de entrada digital PE1:
El puerto de 8 entradas digitales a diferencia del puerto PEAN1, dispone de resistencias pull
up, de manera que puede gestionar dispositivos de contacto cerrado contacto abierto
(termostatos o finales de carrera), sin necesidad de añadir un sencillo puente de resistencias a
la entrada.
Al igual que el puerto PEAN1, se puede configurar cada uno de los 8 pines como entrada o
como salida, siendo los niveles de tensión compatibles con la lógica TTL y CMOS. Además el pin
Nº2 del conector cuando se configura como entrada, actúa como trigger smith.
Los pines 10 y 9 transportan las tensiones auxiliares Vcc1 y Vcc2 respectivamente.
Puerto de salida PS1:
Con el fin de comandar actuadores en el sistema, se configura el puerto PS1 de 8 bits como
salida de datos digitales, siendo posible la configuración en modo entrada digital, aunque hay
que recordar que carece de resistencias pull up, por lo que no se podrían conectar dispositivos
tipo "contacto abierto/contacto cerrado" ya que se producirían ruidos indeseables en el PIC.
La potencia de salida de cada uno de estos pines, es relativamente elevada, pero para
comandar un relé por ejemplo, es necesario el uso de un transistor o un opto acoplador.
Los pines 10 y 9 transportan las tensiones auxiliares Vcc1 y Vcc2 respectivamente.
Alimentación:
La placa MCC03 puede alimentarse de manera independiente gracias al conector de
alimentación.
La alimentación será de +5Vcc, aunque el inconveniente principal de utilizar este conector de
alimentación es no permitir la entrada de las tensiones auxiliares Vcc1 y Vcc2, por lo que
resulta útil en caso de aplicaciones en las que no se necesiten dichas tensiones.
En este conector puede conectarse una fuente de tensión auxiliar con el fin de mantener la
alimentación en caso de fallo de la alimentación principal.
Programación:
Pese a que el PIC se puede programar insertándolo en el zócalo del programador, el MCC03
permite la programación de PIC sin necesidad de extracción de la placa, gracias al conector de
interconexión con el programador.
76
Para que se pueda realizar la programación del PIC, es necesario
que la PLACA MCC se encuentre alimentada, que le llegue una
tensión de grabación "Vpp", un tren de datos "SDA" sincronizados
con un tren de pulsos de reloj "SCL" y una orden de habilitación de
la programación "PGM". La masa ha de ser común tanto en el
programador como en la placa MCC03. El conector de programación
permite la interconexión de todos estos pines con la placa
programadora.
Al utilizar para la programación los pines 2 y 1 del puerto PE1, es
necesario mientras que se programa que no haya nada conectado a
dichos pines, esto se puede solucionar de dos maneras, la primera
consiste en desconectar el conector PE1 de la placa, la segunda se
trata de levantar los switch "J1_PROG"
Aux1:
El conector que se utiliza en este caso es
el RJ45, se usa este conector por que en
un principio el puerto esta diseñado para
la interconexión de un MCC03 adicional,
permite la configuración de sus 4 pines
tanto como entrada como salida, si se
configuran como entrada todos los pines
permiten entradas trigger smith, no
acepta conexión directa de dispositivos
"contacto abierto contacto cerrado".
Mediante hardware interno del PIC, se permite la salida de trenes de pulsos fijos por los pines
8 y 6, estos pulsos aplicados a la carga de un condensador pueden generar una salida de
tensión analógica que aumentará o disminuirá la tensión dependiendo de la frecuencia del
tren de pulsos.
La frecuencia de los trenes de pulsos no se ve afectada por el funcionamiento del software ya
que se trata de la configuración de dos osciladores internos de propio PIC.
I2C1:
La tarjeta de control es posible que necesite un aumento de memoria o bien un reloj un
termómetro, para ello se ha habilitado una sección que puede albergar una placa de 10X15
mm. En dicha placa puede instalarse un chip de memoria o bien un chip de reloj o un
termómetro, (se puede instalar cualquier chip que funcione mediante el protocolo de
comunicación I2C), el espacio reservado para instalar el pluggin cuenta con pines de
alimentación que transportan Vcc +5v, y las tensiones auxiliares Vcc1 y Vcc2.
Switch (1_PROG) 1
Conversión frecuencia tensión 1
77
Espacio reservado para placa 10X15mm I2C1
Reset local:
Se trata de un switch que cuando se cortocircuita, reinicia el software del microprocesador.
Es útil para reiniciar el equipo en fases experimentales, pudiéndose conectar a este un botón
externo de reset.
Reset remoto:
Cuando el switch se encuentra cerrado, permite el paso al conector de comunicaciones,
pudiendo ser reseteado directamente, desde el puerto o desde el bus de comunicaciones,
poniendo a masa el pin determinado.
L1, L2, L3 y Led Test:
Son indicadores de presencia de tensión de alimentación: El L1 indica presencia de tensión de
5Vcc, el L2 indica presencia de tensión auxiliar Vcc1 y el L3 indica presencia de tensión de
alimentación Vcc2.
El led test es un led de color ámbar utilizado para indicar que ciertos pasos del programa se
están realizando. Por ejemplo se puede programar para indicar que algo va mal, o bien para
indicar que en ese momento se está realizando algún proceso, o bien para hacer que se
encienda cada vez que se resetea el contador del watch dog y de esta manera asegurarnos que
no se ha bloqueado el software.
Programación del MCC03:
Existen diversos métodos para programar la placa, los más conocidos son, ensamblador,
lenguaje C y basic.
En primer lugar se ha de hacer un diagrama de flujo en el que quede claramente reflejado el
desarrollo del software con todas y cada una de sus rutinas en segundo lugar se ha de
78
programar según el diagrama de flujo y en tercer lugar se ha de compilar para obtener el
fichero “.HEX” que se grabará en el PIC.
Posteriormente se puede grabar en el chip mediante el programador y el cable adecuado, o
bien se puede probar en un simulador. Como por ejemplo el simulador que viene con el
software PROTEUS, yo recomiendo este ya que permite utilizar multitud de herramientas,
como osciloscopios, terminales, fuentes de alimentación, generador de señales, aplicaciones
I2C, etc…
79
Interface de potencia (INT4R3M4IOPT)
La placa interface de potencia
dispone de 4 entradas opto
acopladas, 4 salidas de relé y 3
conexiones para instalar relés
externos asociados a dispositivos.
La comunicación con la placa de
control se realiza mediante un
conector RJ45 y un conector
hembra de 15 pines.
La interconexión con los sensores y
actuadores se efectúa con clemas
soldadas a la placa de circuito
impreso. Mas adelante se explicará
la conexión de dichos elementos.
Detalle placa interface de potencia 1
Detalle interface de potencia
80
Circuito placa de potencia (INT4R3M4IOPT)
Interconexión sensores:
Las entradas diseñadas con el fin de admitir la información proporcionada por los sensores
booleanos (normalmente abierto/normalmente cerrado) son las nombradas como RA1, RA2,
RA3 y RA4, estas se encuentran opto acopladas de aislando la placa de control de cualquier
posible pico de tensión que pueda producirse en el circuito.
Como se puede observar las resistencias de polarización de la sección LED del opto acoplador
(R5, R6, R7 yR8), pueden variarse de valor en caso de introducir diferentes niveles de tensión
directamente al opto acoplador, no obstante la conexión más común es la de conector abierto,
conector cerrado, tal y como se muestra en la siguiente figura " Interconexión NA/NC opto
acoplada" en la que en el conector J18 (VOPT) se introduce un nivel de tensión de 5Vcc a 9Vcc
para que, al cerrar el circuito como se indica con un pulsador en la figura, sea activada la salida
correspondiente del opto acoplador and y sea transmitida a la placa controladora MCC03 a
través del conector RJ45.
81
Interconexión NA/NC opto acoplada
Interconexión actuadores:
Existen multitud de actuadores que se pueden conectar a la placa interface, tales como
motores, contactores, bocinas, etc. Para acceder al máximo número de actuadores aislando el
circuito eléctrico de la placa, se ha diseñado un sistema de relés, activados gracias a la puesta a
masa de sus bobinas a través del integrado de potencia ULN2803. Al introducir un nivel lógico
TTL procedente de la placa de control MCC03 gracias al conector de 15pines DB15, actúa sobre
la patilla del ULN 2803 poniendo a masa la patilla correspondiente de salida, cerrando de ésta
manera el circuito que alimenta la bobina del relé correspondiente y, por tanto, cambiando el
estado NA/NC de los conectores SRL1, SRL2, SRL3 y SRL4 de forma aleatoria.
El modo de conexión de los actuadores a los relés, viene descrito en el esquema de la siguiente
figura.
82
Interconexión NA/NC relés
Como puede observarse en el esquema, es posible actuar sobre distintos circuitos eléctricos
alimentados con diferentes niveles de tensión.
Observando la figura " Interconexión actuadores y elementos externos", existe la posibilidad de
conectar 3 relés más a la placa, haciendo para ello uso de los conectores RB5, RB6 y RB7, otra
posibilidad que ofrece el interface es conectar un elemento externo, como en el ejemplo
conectado a RB5 (J13), para que actúe cuando se de paso a masa. En el ejemplo se toma un
elemento que funciona con la misma tensión de alimentación de los relés, pero existe la
posibilidad de utilizar actuadores alimentados con distintos niveles de tensión, siempre y
cuando se unifiquen las masas de las fuentes de alimentación, lo que permite ampliar
considerablemente el número de actuadores a comandar.
83
Interconexión actuadores y elementos externos
Alimentación de la placa:
Es posible seleccionar la fuente de alimentación que se utilizará para alimentar los relés y la
tensión que utilizarán por defecto los conectores RB5, RB6 y RB7.
NOTA:
Cabe la posibilidad de utilizar los puertos SRL1, SRL2, SRL3 Y SRL4 del mismo modo que RB5,
RB6 y RB7, eliminando los relés y modificando levemente la placa mediante puentes.
Los relés incorporados a la placa marcarán el nivel de tensión necesario para alimentar la
sección. En este caso se han utilizado relés de 12Vcc, por lo que la tensión de la fuente debe de
ser de 12Vcc, la placa ofrece la posibilidad de elegir el puerto de entrada de tensión mediante
soldadura en jumper , según se suelde un jumper u otro, la fuente podrá ser externa desde el
conector AUX1, o desde el conector de interconexión con la placa de control en los pines 10 y
9 del conector de interconexión DB15, para utilizar Vcc1 o Vcc2 (tensiones auxiliares
procedentes de la placa de control MCC03).
84
NOTA:
Hay que tener la precaución de unificar las masas y de seleccionar una sola opción o utilizar la
tensión auxiliar cerrando SW SEL VCC EXT o SW VCC1 o SW VCC2 como muestran las figuras "
Selección Vcc exterior a través de AUX1 " y " Selección Vcc1 o Vcc2 procedente de MCC03"
Selección Vcc exterior a través de AUX1 Selección Vcc1 o Vcc2 procedente de MCC03
A continuación se muestra el diseño de las pistas de la placa y el esquema general del interface
(INT4R3M4IOPT)
85
86
87
Interface de Interconexión con PC mediante software hyperterminal de Windows
La placa de control MCC03 tiene previsto un puerto de comunicaciones con niveles TTL con el
fin de interconectar en un mismo bus distintas placas de control. Dispone de la posibilidad de
interconectar un PC pero se requiere una placa interface TTL a RS232. Para ello se inserta un
circuito adaptador basado en el chip MAX232. La placa diseñada a tal efecto es la siguiente:
Interconexión MCC03 con placa RS232
88
Placa RS232
Esquema electrónico de la placa RS232
Para controlar y capturar información desde un PC es necesario crear un software de control
cuya interface de comunicación sea compatible con los siguientes parámetros de
89
hyperterminal de Windows. No obstante, se puede utilizar el cualquier software
hyperterminal, a continuación se muestran los parámetros de configuración.
Configuración hyperterminal de windows:
Primero seleccionar el COM1 como puerto de comunicaciones.
La velocidad y el control de flujo será 9600 bits de datos 8 paridad ningún bit de parada 1
control de flujo NINGUNO.
90
A continuación en las imágenes siguientes se muestra la configuración del resto de parámetros
del hyperterminal.
91
92
A partir de éste punto, cuando el MCC que se encuentre conectado al PC envíe datos, éstos
aparecerán reflejados en la pantalla del hyperterminal.
El protocolo de comunicación es bidireccional, por lo que desde el hyperterminal pueden
enviarse comandos, seleccionar menús y ver el estado del sistema, de tal manera que puede
comandarse un MCC03 remotamente a través de un servidor de terminales vía ethernet.
Es posible configurar en el propio servidor de terminales el tipo de conexión ya sea en modo
RS232 o directamente en modo TTL eliminando de ésta manera el interface RS232.
93
Software de control:
Para controlar todos los parámetros de funcionamiento de la pila de combustible, se ha creado
un software específico, este funciona como se muestra en el diagrama siguiente.
Diagrama de bloques del sistema 1
94
En un primer lugar se configura el chip del MCC03 (PIC 16F874A), para que funcione como se
muestra en el esquema, de tal manera que se dispone de 5 sensores de presión, 3
termómetros, 3 interruptores de control y salidas de control útiles para la activación de las
electro válvulas. Además dispone de una medida de tensión de salida, un led de control de
funcionamiento y un puerto de comunicaciones RS232.
Nota: El esquema de la placa va interconectado con la placa de interface de potencia y la placa
interface PC.
Tras configurar el chip y definir las variables del sistema, se muestra en pantalla, (la pantalla de
la consola del PC), el menú del gráfico.
95
Desde este momento se
puede pulsar P1 para
arrancar el software y por
tanto la pila, P2 si en caso de
que esté funcionando se
quiere parar el sistema y P3
si se desea enviar la lectura
de todos los sensores a
pantalla.
Circuito MCC03 procesador del sistema
Una vez puesto en marcha el sistema, éste se puede parar por 4 motivos, por que se pulse el
botón de paro, por que el software tras analizar los datos considere que tiene que parar, por
que se active cualquier elemento de la cadena de seguridad o por que se haga una parada
manual desde la cadena de seguridad.
Menú principal software de control 1
96
El software mostrado a continuación no incluye los parámetros de lógica de control del
sistema ya que para ello se ha de experimentar con un sistema de pila de combustible real, los
sensores se han de calibrar a tal efecto.
Una vez montado el sistema, es posible incluir los parámetros de control dentro de la
subrutina "analisislecturas:", en el software presentado se han incluido algunos parámetros de
control a modo de ejemplo.
Nota: El software de control incluye líneas de programa inhabilitadas al principio de la línes
con una comilla “ ‘ “, útiles para la experimentación y el control del sistema.
97
Software de control general MCC03 '****************************************************************
' Name : Menu.BAS
' Author : Ignacio Lucas Alos
' Notice :
'
' Date : 31/08/2011
' Version : 1.0
' Notes :
'
'****************************************************************
inicio:
clear
Define ONINT_USED 1
include "modedefs.bas"
'Configuración inicial de puertos
trisa=%00000000 'Puerto A configurado como salida
trisb = %11111111 'Puerto B configurado como entrada
trisc=%00000000 'Puerto C configurado como salida
portb=0 'Puerto B todos los pines a 0
trisd=%00000000 'Puerto D configurado como salida
portd=0 'Puserto D todos los pines a 0
option_reg.7=0 'Habilita resistencias PullUp del
puerto B
'=====================================================================
=
'Definicion de variables globales:
98
Define ONINT_USED 1
'=====================================================================
=
' Definicion de los parametros del registro ADCIN
Define ADC_BITS 8 ' Configura el numero de bits en el
resultado
'(Para 10 bits ha de ser un 10 en lugar de un
8)
Define ADC_CLOCK 3 ' Seleccion de fuente de reoj (3=rc
interno)
Define ADC_SAMPLEUS 50 ' Configuracion del tiempo de
lectura 50 uS
'Definicion de variables lectura analogica
'adval0 var word ' Guarda el resultado de la medida en una
variable
'(para 10 bits)
puertoanalogico var byte
adval0 var byte ' Guarda el resultado de la medida en una
variable
'(para 8 bits)
anal0 var word 'Definicion de variable para la lectura del puerto
analogico 0
anal1 var word 'Definicion de variable para la lectura del puerto
analogico 1
anal2 var word 'Definicion de variable para la lectura del puerto
analogico 2
anal3 var word 'Definicion de variable para la lectura del puerto
analogico 3
99
anal4 var word 'Definicion de variable para la lectura del puerto
analogico 4
anal5 var word 'Definicion de variable para la lectura del puerto
analogico 5
anal6 var word 'Definicion de variable para la lectura del puerto
analogico 6
anal7 var word 'Definicion de variable para la lectura del puerto
analogico 7
RST var PORTC.0 ' pin de reset
DQ var PORTC.1 ' pin de datos
CLK var PORTC.5 ' pin de reloj
temp var word ' Variable donde se guarda la
temperatura
temp1 var word ' Variable lectrua de temperatura
final entera
tempt var word ' Variable lectura temeratura final
decimal
temperaturatermometro1 var word
temperaturatermometro2 var word
temperaturatermometro3 var word
alarmageneral var bit 'Variable alarma general
alarmah2_1 var bit 'Variable sensor de hidrogeno1
alarmah2_2 var bit 'Variable sensor de hidrogeno2
'CONFIGURACION INICIAL DE VARIABLES:
'Espacio reservado para insertar los limites de presion y temperatura
'=====================================================================
=
100
Menu:
serout PORTC.6,2,[13," ",13]
serout PORTC.6,2,[13,"www.coopservi.es",13]
serout PORTC.6,2,[13,"Control de pila de combustible V1.0",13]
serout PORTC.6,2,[13,"P1 Arranca",13]
serout PORTC.6,2,[13,"P2 Paro",13]
serout PORTC.6,2,[13,"P3 Lectura",13]
trisc.6=1
portc.6=0
PORTA.4=1 'Apaga led
TEST
pause 300
Botones:
If PORTB.0=0 THEN gosub arranca 'P1
If PORTB.1=0 THEN Gosub paro 'P2
If PORTB.2=0 THEN GOTO lectura 'P3
GOTO BOTONES
'=====================================================================
arranca:
PORTA.4=0 'Enciende led
TEST
serout PORTC.6,2,[13,"Arranca",13]
portd=0
101
Gosub funcionamiento
'=====================================================================
=
paro:
serout PORTC.6,2,[13,"Paro",13]
goto menu
'=====================================================================
=
analisislecturas:
'analiza las lecturas, pero esto hay que pulirlo, ha de haber
subrutinas
'para cada accion.
'serout PORTC.6,2,[13,"Analisis",13]
if temp1>90 and temp1< 100 then serout PORTC.6,2,[13,"Temperatura
superior a 90 grados",13]
if temp1>90 and temp1<100 then portd.0=1
if temp1>100 then serout PORTC.6,2,[13,"Temperatura superior a 100
grados",13]
if temp1>100 then portd.1=1
if temp1>115 then serout PORTC.6,2,[13,"Temperatura superior a 115
grados",13]
if temp1>115 then serout PORTC.6,2,[13,"Apagando el sistema",13]
if temp1>115 then portd.2=1
if temp1>115 then goto menu
return
102
'=====================================================================
=
funcionamiento:
'Control de cada una de las lecturas, esto se tiene que hacer asi
porque
'dependiendo de cual va a ser la lectura, se ha de aplicar una
operacion
'u otra.
PORTA.4=0 'Enciende led TEST
lecturaanalogica0:
puertoanalogico=0 'Configuracion delectura de puerto
gosub leopuertoanalogico 'Salto a rutina de lectura
swap adval0, anal0 'Intercambio de datos entre variables
anal0=(((anal0*10)-130)/23)+15 'Conversion de datos
lecturaanalogica1:
puertoanalogico=1 'Configuracion delectura de puerto
gosub leopuertoanalogico 'Salto a rutina de lectura
swap adval0, anal1 'Intercambio de datos entre variables
anal1=(((anal1*10)-130)/23)+15 'Conversion de datos
lecturaanalogica2:
puertoanalogico=2 'Configuracion delectura de puerto
gosub leopuertoanalogico 'Salto a rutina de lectura
swap adval0, anal2 'Intercambio de datos entre variables
anal2=(((anal2*10)-130)/23)+15 'Conversion de datos
lecturaanalogica3:
103
puertoanalogico=3 'Configuracion delectura de puerto
gosub leopuertoanalogico 'Salto a rutina de lectura
swap adval0, anal3 'Intercambio de datos entre variables
anal3=(((anal3*10)-130)/23)+15 'Conversion de datos
lecturaanalogica4:
puertoanalogico=4 'Configuracion delectura de puerto
gosub leopuertoanalogico 'Salto a rutina de lectura
swap adval0, anal4 'Intercambio de datos entre variables
anal4=(((anal4*100)-1500)/94)+2 'Conversion de datos
lecturaanalogica5:
puertoanalogico=5 'Configuracion delectura de puerto
gosub leopuertoanalogico 'Salto a rutina de lectura
swap adval0, anal5 'Intercambio de datos entre
variables
anal5=(anal5*60)/253 'Conversion de datos
lecturaanalogica6:
puertoanalogico=6 'Configuracion delectura de puerto
gosub leopuertoanalogico 'Salto a rutina de lectura
swap adval0, anal6 'Intercambio de datos entre
variables
lecturaanalogica7:
puertoanalogico=7 'Configuracion delectura de puerto
gosub leopuertoanalogico 'Salto a rutina de lectura
104
swap adval0, anal7 'Intercambio de datos entre variables
'gosub temperatura
goto temperatura
'Fin de control de cada una de las lecturas.
leopuertoanalogico:
porta=0
TRISA = %11101111 ' Configura el puerto A como entrada
' ADCON1 = %10000000 ' Configura la lectura de Byte con
justificacion a
'la derecha (para 10 bits)
ADCON1 = %00000000 ' Configura la lectura de Byte con
justificacion a
'la izquierda
'Pause 500 ' Espera 0.5 Segundos a que se realice la
lectura
ADCIN puertoanalogico, adval0 ' Lectura del canal de entrada
segun toque
' serout PORTC.6,2,[13,"Lectura puerto ",#puertoanalogico,"
",#adval0," , Escalado 0=0 5=255",13]
' if puertoanalogico=7 then goto lecturatermometros 'Permite
continuar a la rutina de temperatura
'Pause 100 ' Espera 0.1 Segundos
return
105
'=====================================================================
=
temperatura:
lecturatermometros:
PORTA.4=0 'Enciende led TEST
termometro1:
' lectura sensor de temperatura
Low RST ' Reinicio del chip
RST = 1 ' Habilita chip
Shiftout DQ, CLK, LSBFIRST, [$ee] ' Comienza la conversion
RST = 0
Pause 50 ' Espera 50ms hasta que se ha hecho la conversion
RST = 1
Shiftout portc.1, CLK, LSBFIRST, [$aa] ' Envioo de comando de
lectura
Shiftin portc.1, CLK, LSBPRE, [temp\9] ' Lectura de los 9 bit de
temperatura
RST = 0
'Muestra la temperatura en formato decimal
temp1=temp >>1
tempt=temp1.0*5
swap temp1, temperaturatermometro1
106
'serout PORTC.6,2,[13,"Temperatura1: ",#temperaturatermometro1,"
grados C",13]
termometro2:
' lectura sensor de temperatura
Low RST ' Reinicio del chip
RST = 1 ' Habilita chip
Shiftout DQ, CLK, LSBFIRST, [$ee] ' Comienza la conversion
RST = 0
Pause 50 ' Espera 50ms hasta que se ha hecho la conversion
RST = 1
Shiftout portc.2, CLK, LSBFIRST, [$aa] ' Envioo de comando de
lectura
Shiftin portc.2, CLK, LSBPRE, [temp\9] ' Lectura de los 9 bit de
temperatura
RST = 0
'Muestra la temperatura en formato decimal
temp1=temp >>1
tempt=temp1.0*5
swap temp1, temperaturatermometro2
'serout PORTC.6,2,[13,"Temperatura2: ",#temperaturatermometro2,"
grados C",13]
termometro3:
107
' lectura sensor de temperatura
Low RST ' Reinicio del chip
RST = 1 ' Habilita chip
Shiftout DQ, CLK, LSBFIRST, [$ee] ' Comienza la conversion
RST = 0
Pause 50 ' Espera 50ms hasta que se ha hecho la conversion
RST = 1
Shiftout portc.3, CLK, LSBFIRST, [$aa] ' Envioo de comando de
lectura
Shiftin portc.3, CLK, LSBPRE, [temp\9] ' Lectura de los 9 bit de
temperatura
RST = 0
'Muestra la temperatura en formato decimal
temp1=temp >>1
tempt=temp1.0*5
swap temp1, temperaturatermometro3
'serout PORTC.6,2,[13,"Temperatura3: ",#temperaturatermometro3,"
grados C",13]
pause 50
PORTA.4=1 'Apaga led
TEST
'pause 50
gosub analisislecturas
108
'=====================================================================
=
'Puertos digitales 1/0
alarmageneral = portb.3
alarmah2_1 = portb.4
alarmah2_2 = portb.5
'=====================================================================
=
'Lectura de menus
If PORTB.0=0 THEN gosub arranca 'P1
If PORTB.1=0 THEN Gosub paro 'P2
If PORTB.2=0 THEN GOTO lectura 'P3
'=====================================================================
=
lectura:
' serout PORTC.6,2,[13,"Lectura",13]
'Espacio reservado para introducir rutinas de lectura de datos.
'serout PORTC.6,2,[12,"Lectura",13]
'serout PORTC.6,2,[13,"Temperatura1: ",#temperaturatermometro1,"
grados C",13]
'serout PORTC.6,2,[13,"Temperatura2: ",#temperaturatermometro2,"
grados C",13]
'serout PORTC.6,2,[13,"Temperatura3: ",#temperaturatermometro3,"
grados C",13]
'serout PORTC.6,2,[13,"Lectura0 ",#anal0,13] 'Muestra datos
'serout PORTC.6,2,[13,"Lectura1 ",#anal1,13] 'Muestra datos
109
'serout PORTC.6,2,[13,"Lectura2 ",#anal2,13] 'Muestra datos
'serout PORTC.6,2,[13,"Lectura3 ",#anal3,13] 'Muestra datos
'serout PORTC.6,2,[13,"Lectura4 ",#anal4,13] 'Muestra datos
'serout PORTC.6,2,[13,"Lectura5 ",#anal5,13] 'Muestra datos
'serout PORTC.6,2,[13,"Lectura6 ",#anal6,13] 'Muestra datos
'serout PORTC.6,2,[13,"Lectura7 ",#anal7,13] 'Muestra datos
'serout PORTC.6,2,[13,"P1 Alarma general: ",#alarmageneral,13]
'Muestra datos digital
'serout PORTC.6,2,[13,"P1 Sensor H2-1: ",#alarmah2_1,13] 'Muestra
datos digital
'serout PORTC.6,2,[13,"P1 Sensor H2-2: ",#alarmah2_2,13] 'Muestra
datos digital
'Informacion de envio de datos para conformar grafica
serout PORTC.6,2,
["*",#TEMPERATURATERMOMETRO1,",",#TEMPERATURATERMOMETRO2,","_
,#TEMPERATURATERMOMETRO3,",",#anal0,",",#anal1,",",#anal2,",",#anal3,"
,"_
,#anal4,",",#anal5,",",#anal6,",",#anal7,",",#alarmageneral,","_
,#alarmah2_1,",",#alarmah2_2,"/",13]
'Fin de informacion para grafica
pause 250
goto funcionamiento
110
Software cadena de alarmas:
La cadena de seguridad es un conjunto de sensores que en caso de fugas o alarmas de
temperaturas externas al control de la lógica desconectan el sistema informando al gestor de
la anomalía que ha provocado la parada.
Pese a que la orden de paro llega directamente al procesador MCC03 de control, el sistema
dispone de un controlador basado en el PIC 16F84A y un interface RS232 que envía la
información de la avería a un sistema gestor de supervisión.
Diagrama de bloques cadena de seguridad 1
El procesador continuamente cada segundo lee los puertos de datos y solo en el caso de avería
envía cada segundo el estado de los puertos, de tal manera que permite observar la evolución
de la incidencia con una resolución de un muestreo por segundo.
111
Circuito cadena de seguridad
Software de control:
A continuación se muestra el software de control del procesador de alarmas.
Nota: El software se ha escrito en lenguaje basic compatible con Pic Basic Pro.
112
Software de control de cadena de alarmas:
'****************************************************************
' Name : AlarmasH2.BAS
' Author : Ignacio Lucas Alos
' Notice :
'
' Date : 19/08/2011
' Version : 1.0
' Notes : Recolector de alarmas de la cadena de seguridad.
' :
'****************************************************************
clear
' Define ONINT_USED 1
include "modedefs.bas"
'Configuración inicial de puertos
trisa=%00000000 'Puerto A configurado como salida
trisb = %11111111 'Puerto B configurado como entrada
portb=0 'Puerto B todos los pines a 0
option_reg.7=0 'Habilita resistencias PullUp del
puerto B
' serout PORTA.0,2,[13,".",12]
serout PORTA.0,2,[13,"coopservi.es",13]
inicio:
porta.4=1
'clear
' serout PORTA.0,2,[12,"Cadena de seguridad 1",13]
If portb <248 then goto salidadatos
113
goto inicio
salidadatos:
porta.4=0
pause 1000
serout PORTA.0,2,[13,".",12]
serout PORTA.0,2,[13,"Alarmas cadena seguridad 1",13]
If portb.7=1 Then serout PORTA.0,2,[13,"Paro seguridad OK",13]
If portb.6=1 Then serout PORTA.0,2,[13,"Sensor H2_1 OK",13]
If portb.5=1 Then serout PORTA.0,2,[13,"Termostato 1 OK",13]
If portb.4=1 Then serout PORTA.0,2,[13,"Termostato 2 OK",13]
If portb.3=1 Then serout PORTA.0,2,[13,"Presostato OK",13]
pause 1000
if portb =248 then serout PORTA.0,2,[12,"Cadena de seguridad
OK",13]
goto inicio
114
El electrolizador
Para realizar la electrólisis del agua no es necesario aplicar una tensión superior a 2,2Vcc, las
bases que se suelen utilizar para variar el PH, están compuestas de KOH o NaOH.
Al no disponer de una fuente de alimentación de 2,2Vcc, pero sí disponer de una fuente de
54Vcc fue necesario utilizar una concentración de NaOH muy inferior a la ideal que ronda el
30%.
Otro de los problemas fué localizar los electrodos más adecuados que son de acero inoxidable
para la producción de hidrógeno en el cátodo y níquel en el ánodo para la producción de
oxígeno.
Todo el proceso se hace a una temperatura de entre 80 y 90°C.
Básicamente, se ha modificado la construcción del electrolizador, bajando la eficiencia, aunque
es válido para generar hidrógeno y oxígeno necesario para la prueba de la pila de combustible.
Durante la construcción del electrolizador me fui sucedieron más problemas que mas adelante
se explicarán.
El diseño es mediante materiales domésticos, de los que cualquiera puede encontrar donde
viva.
Los materiales empleados son los siguientes:
Un juego de minas de grafito para portaminas de punta de 6mm, que se puede encontrar o
pedir en cualquier papelería (lo mejor es que sean H, yo las encontré HB).
Juego de minas de
grafito, aunque lo mejor
sería dos piezas, una de
Níquel y otra de Acero
inoxidable. (Pero yo la
de Níquel no la
encontré.)
Un par de bebederos
para hamster que
encontré en una tienda
de animales.
Juego de minas de grafito
115
Bebederos para hámster.
Una garrafa de 5 litros de agua destilada que se puede conseguir en cualquier gasolinera,
(atención agua destilada sin perfumar).
NaOH o sosa cáustica de la que se utiliza en
electrónica para revelar placas positivas, que se
puede encontrar en cualquier tienda de electrónica.
Un tubo de plástico para riego por goteo que encontré
en una tienda de jardinería, y sin ir mas
lejos, transiciones de plástico para ese
tubo y grifos a medida, que yo los
encontré en la misma sección de la tienda
de jardinería.
Bebederos para hamster
NaOH
Tubo de plástico y transiciones
116
Un bote de plástico donde quepa todo.
Un tubo de silicona.
Unas pinzas eléctricas para la interconexión de los
electrodos con el cable eléctrico.
Cable eléctrico.
Bote de plástico
Silicona
Juego de pinzas 1
Cable eléctrico
117
Una fuente de alimentación de 54Vcc
Éste último paso lo podemos variar por una fuente de alimentación de 2,2Vcc capaz de
mantener una corriente de 1 Amperio, si la encontramos.
Fuente de alimentación
Montaje:
Se procede a montarlo todo dentro
del bote de plástico, teniendo la
precaución de perforar la parte
inferior de los bebederos para
hamster que, a partir de ahora, serán
las cavidades recolectoras de gas.
Taladrado de cavidades recolectoras de gas
118
De manera que quede según elgrafico:
En la parte inferior para que no se produzcan escapes de agua, ha de utilizarse silicona para
unir el bote de plástico con las minas de
grafito, (a partir de ahora los electrodos).
Para que se mantenga en pié el recipiente,
se utiliza otra pieza de plástico mecanizada
como muestra la imagen.
Posteriormente se refuerza con algo de cinta
americana y se insertan los tubos de riego por
goteo o conducciones de gas, de tal manera que
Montaje electrolizador
Mecanizado soporte del recipiente
Fijación soporte
119
queda como se muestra en la figura de la izquierda.
Finalmente se llena de agua destilada con la mezcla de NaOH ajustada a las necesidades del
sistema.
Ajuste:
Se llena el recipiente de agua destilada
y se conecta la fuente de alimentación.
En el circuito se inserta un
amperímetro y un voltímetro con el fin
de controlar la corriente y la tensión
que admite el electrolizador.
Posteriormente se prepara en un bote
para hacer la disolución de NaOH y
agua destilada con una alta
concentración.
Se llena el bote de agua destilada y se
calienta a 80°C.
Después se conecta la fuente de alimentación y si es posible, regulando la tensión a 2Vcc (al
ser agua destilada la corriente ha de ser 0A), lentamente se va vertiendo la disolución
concentrada dentro del recipiente del electrolizador a la vez que se remueve el líquido del
electrolizador con una cuchara de acero inoxidable con el fin de disolver el preparado
formando el electrolito del electrolizador.
Intermitentemente se encenderá la fuente de alimentación con el fin de verificar el aumento
de corriente hasta alcanzar 400mA por cm2, la corriente total habrá que calcularla midiendo la
superficie de los electrodos.
Nota: Mientras se aplica energía eléctrica a los electrodos, se produce hidrógeno y oxígeno,
ésta mezcla puede ser explosiva, por eso se ha de tener la precaución de no producir mucho
gas durante los ajustes. Además el electrolizador estará instalado en un lugar lo
suficientemente ventilado.
Otro tema es conservar el gas en recipientes para posteriormente introducirlo de manera
continuada y uniforme en la pila de combustible.
Para ello he se ha empleado botellas de plástico a presión ambiental. Ha de evitarse por un
lado que el hidrógeno se mezcle con el oxígeno o con el aire.
Si se desea evitar que se mezclen los gases con el aire, lo ideal sería tener un recipiente lleno
de agua e introducir el gas de manera que se vaya derramando el agua conforme se llena el
recipiente. Además hay otro problema añadido que es que no hay bombas de membrana a
Ajuste del electrolito
120
precios asequibles que tengan una entrada de aire directamente a través de una toma para
conexión de tubo, lo más asequible son las bombas de aire utilizadas para oxigenar el agua de
peceras y compresores para inflado de ruedas. El problema ha sido resuelto insertando el aire
en los recipientes de manera que el líquido que hay dentro de ellos sirva para expulsar el
oxígeno y el hidrógeno, en primer lugar fuera del electrolizador hacia los recipientes de
almacenaje y posteriormente de los recipientes de almacenaje al interior de la pila de
combustible.
Sistema de intercambio de fluidos (prueba1)
La entrada del hidrógeno y el oxígeno a la pila de combustible ha de ser a la misma presión en
ambas cavidades ya que si hubiese una diferencia de presiones provocaría el derrame y la
rotura de la matriz que contiene la disolución de NaOH, para evitar éste efecto se introduce el
mismo caudal de agua en los dos depósitos de gas de manera que los gases que se introducen
en la pila de combustible tienen la misma presión, ofreciendo la misma presión en ambos
lados de la matriz contenedora de NaOH.
Al intentar extraer el gas del electrolizador, mediante diferencias de presión, se observa que el
recipiente que alberga las cavidades de gas y los electrodos ha de estar cerrada
121
herméticamente, por lo que hubo que sustituir el recipiente y modificar el elctrolizador,
quedando de la siguiente manera:
Versión 2 del hidrolizador distintos ángulos de visión
122
De esta manera queda resuelto el problema de estanqueidad de los electrodos, ya que el
cierre de la tapadera es hermético, el plástico del nuevo recipiente es mas resistente al calor y
a la presión, se ha acortado la longitud de las canalizaciones de gas y se ha añadido una
entrada de aire para producir la presión necesaria para la extracción del gas y envío a los
depósitos de almacenaje.
Observación: Durante la generación de hidrógeno una de as minas de grafito se deteriora,
mientras que la otra no.
Fotografías tomadas tras generar hidrógeno durante 45minutos, lo que confirma la utilidad
pero no la idoneidad del uso de las minas de grafito.
Electrodos de grafito tras 45 minutos de funcionamiento
¿Por que no utilizar sal para variar el PH del agua?
La primera prueba realizada no salió correctamente, al producirse una reacción que ensuciaba
el agua, se supone que se debe a alguno de los componentes de la sal.
Primer electrolizador utilizando sal común en lugar de NaOH
123
Efecto indeseado
124
Propuesta de construcción de pila de pila AFC casera:
Se trata de conseguir producir la reacción electroquímica de manera económica y sencilla para
obtener energía a partir de hidrógeno y oxígeno. Para ello se fabricarán dos cavidades
separadas por una matriz de NaOH, como elemento catalizador se utilizará una rejilla de acero
inoxidable, cada una de las cavidades se rellenará con carbón activo humedecido en NaOH, en
cada cavidad un electrodo de acero inoxidable que atraviesa la misma haciendo contacto con
la rejilla que protege la matriz del NaOH, serán los elementos encargados de conducir el flujo
de electrones de ánodo a cátodo.
Nota: El hidrógeno y el oxígeno han de tener un grado de pureza alto ya que ni no es así la pila
se deteriora, en especial al entrar el electrolito en contacto con el CO que contiene el aire
atmosférico.
Consideremos el siguiente punto de vista:
Tenemos una celda con sus dos cavidades separadas por una matriz de NaOH (aislante
electrónico), estas cavidades se encuentran rellenas de carbón activo, éste ha de ser
conductor eléctrico, a su vez está en contacto con los electrodos, tal cual se muestra en la
imagen.
Celda de combustible AFC casera
125
Al aplicar una diferencia de potencial, todo el carbón activo de la cavidad anódica y de la
cavidad catódica se convierten en dos electrodos con un área superficial considerable.
"Un solo gramo de carbón activado puede poseer áreas superficiales de 500 m²", aunque hay
que analizar si el NaOH mezclado con el agua se puede introducir en todos los microporos o
solo se queda en la superficie, en cuyo caso se tendrán que investigar líquidos capaces de
conducir iones cuya tensión superficial sea menor que la de la disolución utilizada. Bien, al
aplicar la diferencia de potencial, en primera instancia se crean en el interior de las cavidades y
por todo el área de contacto del electrolito miles de pequeñas burbujas de oxígeno e
hidrógeno, al retirar la energía que produce la electrólisis, se revierte el sistema, de tal
manera que la celda entrega energía.
De confirmarse esta teoría es posible hacer un sistema de recuperación de energía para
vehículos híbridos, e incluso se mejorar el rendimiento de las pilas de combustible utilizadas en
vehículos de hidrógeno.
Los materiales utilizados son los
siguientes:
Como se puede observar, todo el material
se puede encontrar fácilmente.
Maretial utilizado 1
Carbon activo
126
Juego de piezas de PVC ,si el experimento
funciona, para obtener un mayor rendimiento el
sistema alcanzaría una temperatura de unos 90
grados centígrados, por lo que las piezas se
construirían de cerámica.
Tubos y manguera de interconexión de gases, si el experimento funciona se modificaría el
material de construcción.
Tubos y manguera de interconexión de gases
Esponja para la construcción de la
matriz contenedora, será necesario
experimentar con distintos materiales
ya debido a que la resistencia, a la
temperatura, a la capacidad de
retención de la mezcla del NaOH con
el agua destilada según la
concentración de la disolución y a la
característica corrosiva del NaOH.
Juego de piezas de PVC 1
Esponja
127
Lana de acero inoxidable para la construcción e la malla, modificable según concentración del
electrolito.
Lana de acero inoxidable
Carbón activo conductor electrónico, que ha de
ser lo mas conductor posible y del tamaño de los
poros que se ajuste a las propiedades del
electrolito.
Carbón activo conductor electrónico
128
Cola para de unión de piezas de PVC.
Cola para PVC
Agua destilada sin aditivos.
NaOH utilizado normalmente
en el mundo de la electrónica
para revelado fotográfico en
procesos de construcción de
placas de circuito impreso.
Agua destilada NaOH
129
Construcción:
Para ensamblar todas las piezas una vez mecanizadas, primero se introducirá la matriz
empapada en NaOH, en la pieza separadora de las cavidades. Posteriormente se introducirán
las cavidades presionando ligeramente la matriz, a continuación las rejillas de acero unidas a
los electrodos, y por último se colocarán los cierres de la pila.
Una vez que se encuentra ensamblada la celda, se introducen los gases por los tubos de
entrada de gas situados en la parte inferior, mientras que por la parte superior el gas sobrante
es reciclado o introducido en la siguiente celda, entre los electrodos obtenemos un nivel de
tensión y una corriente proporcional al área de contacto de la interface gas, catalizador,
electrolito.
Al utilizar carbón activo (conductor), se aumenta considerablemente la superficie de la
interface, aumentando de este modo la eficacia de la pila y reduciendo el tamaño.
Una ventaja de esta pila es la reversibilidad, ya que si se introduce una diferencia de potencial
entre ánodo y cátodo, se produce hidrógeno y oxígeno por electrólisis.
Una vez ensamblada la celda tiene el aspecto de la imagen:
Montaje celda experimental AFC con NaOH
130
Comentario personal sobre el hidrógeno
El uso del hidrógeno, abre una nueva era energética, modifica la visión del reparto energético,
disminuyendo los niveles de contaminación, repartiendo de manera equitativa la energía y
descentralizando las centrales.
Permite la instalación de micro centrales eléctricas para el abastecimiento de pequeñas
poblaciones, comunidades de vecinos, e incluso particulares. Esto permite la instalación de
sistemas alternativos de generación de energía mediante aerogeneradores de tamaño medio y
sistemas de placas solares.
Toda esta tecnología requiere la fabricación de nuevos equipos, la instalación de sistemas
autónomos y el mantenimiento de los mismos generando movimiento de capital y estabilidad
de los recursos humanos, siendo beneficioso para el medio ambiente. Con respecto a la
peligrosidad del sistema. No es mayor que las actuales redes de gas natural.
Es una nueva forma de ver el sistema energético, una forma limpia de obtener energía.
Las actuales centrales de ciclo combinado pueden ser utilizadas para el transporte y la síntesis
del hidrógeno al igual que las refinerías, controlando las emisiones de CO y CO2.
Las actuales canalizaciones de gas natural, podrían ser sustituidas por canalizaciones
compatibles con el hidrógeno, no solo en España, si no en el resto del mundo, el montaje de
sistemas de pila de combustible podría ser desarrollado y fabricado en España, junto con una
gama de aerogeneradores y placas solares.
De llevarse a cabo un proyecto de esta envergadura, podría reducirse los niveles de paro, y de
emisiones de gases de efecto invernadero.
Vivimos en un mundo en el que las redes forman parte de nuestra vida, los sistemas
informáticos son capaces de controlar a tiempo real operaciones que contienen miles de
variables. Lo que posibilita el control del consumo energético, las reservas de energía
almacenada en forma de hidrógeno y la generación de energía, de manera independiente en
cada una de las viviendas o comunidades de vecinos que forman una población. Por lo que es
posible crear cerca de cada población una central basada en el hidrógeno, que suministre
energía en caso necesario a toda o a parte de la población sirviendo ésta de backup.
Se han de crear redes de intercambio energético para el reparto de la energía obtenida, y si es
posible canalizaciones de gas para el almacenaje de reserva en un deposito de una central
backup, y ahí es donde nace el concepto de central de hidrógeno backup.
Gracias a las centrales de backup se permite la posibilidad de instalar un abanico de sistemas
de recolección de energía, si el sistema de recolección es eficiente, (normalmente más caro) se
requerirá depender menos de la central backup, mientras que si el sistema es más sencillo, se
requerirá mas depender del sistema de backup, por lo que habra que pagar más energía a la
central de backup. Esto permite que con el tiempo y la necesidad energética, cada familia
131
mejore su sistema de recolección energética flexibilizando de este modo el gasto económico en
energía.
Las actuales centrales de energía se pueden ver reconvertidas a sistemas de backup o
directamente a centrales procesadoras de hidrógeno para el uso en automoción.
Los vehículos de hidrógeno no tardarán mucho en salir al mercado de manera masiva, por lo
que ahora es el momento de formar a los mecánicos sobre la nueva tecnología.
Respecto a la contaminación en las ciudades, habría mucho menos humo, por no hablar de la
considerable reducción de ruido.
Esta tecnología se puede exportar al tercer mundo para permitir la independencia del petróleo,
posibilitando el desarrollo local de una industria que permitirá en un futuro aumentar la zona de
mercado y mover capital.
Pese a que se necesita una gran inversión para llevar este proyecto a cabo, finalmente ésta se
recupera de la siguiente manera: reducción de gasto militar, reducción de cuotas por compra
de energía ya sea eléctrica o en forma de gas a países extranjeros, consiguiendo de este modo
renegociar cuotas de exportación de productos españoles. Aumento de ingresos en
exportación de tecnología en sistemas limpios, reducción del paro, por lo tanto aumento del
ingreso mediante IRPF y por tanto ahorro en el pago del subsidio por desempleo, reducción de
enfermedades relacionadas con la contaminación, desarrollo de industria, exportación de
tecnología, etc…
Creo sinceramente que la inversión realizada con respecto a las ganancias es muy baja.
Todos estos cambios, requieren un cambio sustancial en la mentalidad de consumo que nos ha
sido insertada en nuestra educación, hemos sido bombardeados durante años por la
publicidad, para que funcionase la economía de consumo había que consumir, pero
¿estábamos consumiendo el producto adecuado?, consumíamos bienes materiales y estos, no
son infinitos. ¿Qué época mejor que la crisis que actualmente estamos viviendo para cambiar
las reglas?. Consumamos bienes sostenibles.
El hidrógeno puede ser la llave para salir de la crisis y tratar si aún estamos a tiempo, de
detener el cambio climático.
El hidrógeno y su utilización implica un cambio de actitud, un cambio en la forma de pensar,
implica una extensión de los recursos energéticos un cambio en las reglas del juego una
explotación energética limpia en todos los sentidos, acaba con el monopolio de grandes
empresas eléctricas, y petroleras, modificando los intereses de los grupos de poder y
pacificando zonas en guerra.
Al desarrollar la tecnología de las pilas de combustible de hidrógeno, no solo se esta
cambiando de sistema energético, si no también el desarrollo de todos los sistemas que giran
en su entorno, implica un cambio de mentalidad, pudiendo abrir una nueva etapa consistente
en la domotización de las viviendas, permitiendo que una persona mayor, pueda prolongar su
autonomía hasta una media de edad superior a la actual. Favoreciendo de este modo la
creación de una nueva industria de servicios, de atención a nuestros mayores.
Vivimos en un país con un número elevadísimo de horas de sol y con un clima excelente,
poseemos un sistema sanitario de los mejores del mundo y tenemos un stock de vivienda tras
la burbuja inmobiliaria espectacular.
No importa si se hace antes o después de desarrollar la tecnología del hidrógeno. Propongo
132
habilitar el stock de viviendas para que puedan venir a España ancianos del resto de Europa a
jubilarse a España, ofrezcámosles una buena jubilación y hagamos de ello una industria, se
trata de una industria sostenible. Con el dinero obtenido desarrollemos la industria del
hidrógeno.
Comencemos a reeducar a nuestros hijos en las escuelas, para que vean el mundo de otra
manera, aprendamos de nuestros errores y cambiemos el rumbo de nuestra historia.
Cuando comencé este trabajo lo hice, y lo sigo haciendo, con el firme convencimiento de que el
hidrógeno puede cambiar el mundo.
Uno de los objetivos de este trabajo es adquirir conocimientos para fabricar una pila de
combustible económica.
Idear un diseño de pila económico que se pueda exportar a lugares donde se requiere energía
para el desarrollo y actualmente no la hay. Hacer saltar una chispa que arranque el motor de la
lógica y la razón, una chispa que arranque el motor que acabe con los intereses que pisan
miserablemente a la población y destruyen nuestro planeta.
Yo no sé usted, pero yo estoy harto de que muera gente en África Asia y América del sur a
causa de la pobreza, mientras que en el primer mundo nos desentendemos del problema que
supone el abandono de nuestros iguales a su suerte. Es como no atender un accidente en
carretera.
133
Índice:
¿
¿Cómo gestionar el hidrógeno?, 7
¿Cómo obtener el hidrógeno?, 4
¿Cuáles son las mejores pilas de combustible?,
aplicaciones., 10
¿Es viable introducir una pila de combustible en un
vehículo eléctrico?, 7
¿Para qué sirve una pila de combustible?, 5
¿Por que no utilizar sal para variar el PH del agua?,
122
A
AFC Pila de combustible alcalina, 24
Alimentación, 75
Alimentación de la placa, 83
Almacenaje mediante absorción, 9
Almacenaje mediante adsorción, 8
Almacenamiento, 65
ATENCIÓN, 46
Aux1, 76
C
Capa difusora de gas (GDL), 39
Carbón activado, 28
Catalizador, 40
central de hidrógeno backup., 130
Comentario personal sobre el hidrógeno, 130
Comparativa del hidrógeno, el gas natural y la
gasolina, 58
Configuración hyperterminal de windows, 89
Consideremos el siguiente punto de vista:, 124
Construcción, 129
Control, 68
D
Descripción de los puertos, 74
Diagrama de bloques del sistema:, 68
E
Ejemplo de pila de combustible en centro aislado:,
11
El electrolizador, 114
El experimento de Grove, 13
El hidrógeno Seguridad:, 60
El stack, 34
En caso de incendio, 62
Equipo de protección individual, 67
F
Ficha de características del hidrógeno, 60
G
Gestión de campo eólico, 16
I
I2C1, 76
información adicional, 67
Interconexión actuadores, 81
Interconexión sensores, 80
Interface de Interconexión con PC mediante
software hyperterminal Windows, 87
Interface de potencia (INT4R3M4IOPT), 79
L
L1, L2, L3 y Led Test:, 77
La composición de la pila, 46
La pila DMFC, 56
La pila PAFC, 44
La pila SOFC, 52
La reacción química es la siguiente:, 25
Los materiales utilizados son los siguientes:, 125
M
Manejo y almacenamiento, 64
MCMFC, 48
MEA, 41
Membrana PEM, 40
P
PEMFC Pila de combustible de membrana
polimérica, 37
Pilas de combustible, 20
Placa bipolar, 38
Placa de control MCC03, 70
Precauciones que deben tomarse durante el
manejo de bombonas, 64
Primeros auxilios, 62
Proceso electroquímico en la celda alcalina, 26
Programación, 75
Programación del MCC03, 77
Propuesta de construcción de pila de pila AFC
casera:, 124
134
Propuesta de pila alcalina con carbón activado, 28
Puerto de entrada analógico PEAN1, 74
Puerto de entrada digital PE1:, 75
Puerto de salida PS1, 75
R
Reset local, 77
Reset remoto, 77
Riesgos para la seguridad, 61
S
Seguridad, 58
Software cadena de alarmas, 110
Software de control, 93, 111
Software de control de cadena de alarmas, 112
Software de control de cadena de alarmas:, 112
Software de control general MCC03, 97
U
Un paseo por las pilas de combustible, 4