Diseño de bancada y sistema de control para la integración de pila de combustible en un vehículo

Proyecto Fin de Carrera Ingeniería de Telecomunicación Formato de Publicación de la Escuela Técnica Superior de Ingeniería Autor: F. Javier Payán Somet Tutor: Juan José Murillo Fuentes Dep. Teoría de la Señal y Comunicaciones Escuela Técnica Superior de Ingeniería Universidad de Sevilla Sevilla, 2013 Proyecto Fin de Carrera Ingeniería Aeroespacial Diseño de Bancada y Sistema de Control para la Integración de Pila de Combustible en un Vehículo Autor: Javier Santaolaya Sánchez Tutor: Carlos Bordons Alba Dep. Ingeniería de Sistemas y Automática Escuela Técnica Superior de Ingeniería Universidad de Sevilla Sevilla, 2017 Proyecto Fin de Carrera Ingeniería Aeroespacial Diseño de Bancada y Sistema de Control para la Integración de Pila de Combustible en un Vehículo Autor: Javier Santaolaya Sánchez Tutor: Carlos Bordons Alba Profesor Titular Dep. Ingeniería de Sistemas y Automática Escuela Técnica Superior de Ingeniería Universidad de Sevilla Sevilla, 2017 Proyecto Fin de Carrera: Diseño de Bancada y Sistema de Control para la Integración de Pila de Combustible en un Vehículo Autor: Javier Santaolaya Sánchez Tutor: Carlos Bordons Alba El tribunal nombrado para juzgar el trabajo arriba indicado, compuesto por los siguientes profesores: Presidente: Vocal/es: Secretario: acuerdan otorgarle la calificación de: El Secretario del Tribunal Fecha: Agradecimientos G racias a mis compañeros con los que he compartido estos años y nos hemos ayudado en tantas ocasiones. Gracias a Juanjo Márquez, nada de este trabajo hubiese sido lo mismo sin ti, gracias por tu ayuda, implicación y cercanía en todo momento, me he sentido como en casa. Gracias a Carlos Bordons por la oportunidad que me ha brindado, por confiar en mi y permitirme formar parte de esta gran familia que tiene el FCCL. Una vez llegado a este momento, el final del grado, no me puedo olvidar de aquellos profesores que hicieron que amase la ciencia. Gracias Agustín y Ángela por vuestro buen trabajo y dedicación. A Virtudes y Alfonso, mis padres sevillanos, me acogisteis desde el minuto uno y habéis sido el mejor regalo que me ha dado Sevilla, muchas gracias por todo. A mis padres, todo esto es vuestro, gracias por estar siempre ahí, por vuestro apoyo incondicional y por confiar siempre en mí. Nada hubiese sido posible sin vuestro sacrificio. A mi hermano, por esos inicios que marcaron nuestro destino. Has sido fundamental en mi enseñanza. A Leticia, por mantenerte a mi lado durante este largo tiempo, en lo bueno, en lo malo, cuando nos veíamos y cuándo no. Has sido un pilar fundamental. Por último, a mis abuelos, sois lo mejor que tengo y un gran ejemplo a seguir. Mil gracias a todos. Javier Santaolaya Sánchez Graduado en Ingeniería Aeroespacial Sevilla, 2017 I Resumen En el presente documento se pretende realizar el diseño de una bancada de una pila de combustible de hidrógeno, alimentada por dos botellas de hidruros y controlada por un algoritmo, el cuál también debe de ser programado mediante LabView. Con el algoritmo se desea conseguir el control del encendido y apagado de la pila de combustible en función de la carga de un banco de baterías, siendo el objetivo final de esta pila el del aumento de autonomía de dichas baterías. III Notación PEM Pila de combustible de membrana polimérica. XI 1 Descripción y Objetivos Los cientifícos estudian el mundo tal como es; los ingenieros crean el mundo que nunca ha sido. Theodore Von Karman En este capítulo se define cual ha sido el objeto de estudio, así cómo el camino seguido para la obtención de nuestros objetivos. 1.1 Descripción General Se desea realizar el diseño y montaje de una pila de combustible de membrana polimérica (PEM), en concreto, la NEXA1200, en una bancada cuya alimentación principal es un banco de baterías. El objetivo final de dicha bancada es probar el sistema de la pila de combustible antes de introducirlo en el coche eléctrico FOX que tiene el departamento, consiguiendo con ello un coche híbrido con mayor autonomía. Aunque esta integración no se realice en este trabajo será necesario conocer el funcionamiento de dicho coche para el diseño óptimo de la bancada. Para ello es necesario, tras el diseño del montaje, desarrollar un sistema de control que gobierne el encendido y apagado de la PEM según la carga de las baterías. 1.1.1 Desarrollo de la Bancada Se desea realizar la integración de una PEM en un vehículo eléctrico, el cuál está alimentado por un banco de baterías que se encuentra conectado directamente al bus de potencia, pero antes se debe de probar el sistema en una bancada. La PEM no proporciona una tensión de salida constante, sino que depende de su propia curva de polarización. Además, está tensión no es suficiente para alimentar el bus de potencia, por lo que para conseguir que dicha tensión de alimentación sea lo suficientemente elevada se dispone de un convertidor DC/DC de impulsos elevador de tensión unidireccional. Dicho convertidos es el BEV4. El convertidor BEV4 necesario para la instalación de la bancada consta de un control interno que en función de referencias analógicas (0-10V) fija una tensión mínima de funcionamiento en la entrada y un límite máximo de tensión de salida. Dichas referencias analógicas pueden ser ajustadas inicialmente o durante el funcionamiento del convertidor. Por otro lado se busca que la PEM funcione en un rango de potencia determinado siempre que sea posible. Éste rango se debe de situar en la zona lineal de la propia curva de polarización de la pila de combustible. Para conseguir esto es necesario realizar un control en tiempo real de las referencias de tensión e intensidad del convertidor BEV4. Podemos encontrarnos dos casos: aquel en el que la potencia demandada por los diferentes actuadores del vehículo sea inferior a la potencia generada por la pila de combustible, en el que 1 2Capítulo 1. Descripción y Objetivos las baterías deben actuar como sumideros; y aquel en el que la potencia generada por la pila sea insuficiente para alimentar los actuadores del vehículo, en el que el banco de baterías debe actuar como fuente de energía. Todo lo anterior está resuelto en el Trabajo Fin de Máster del compañero Juan José Márquez Quintero. A continuación se muestra el esquema genérico del sistema: Figura 1.1 Esquema General Conexión Bancada. El control del convertidor ya se encuentra programado, lo que se tendrá que programar en la bancada será el funcionamiento de la pila, es decir, cuándo se considerará que debe de estar encendida para aumentar la autonomía de las baterías y cuando se deberá de apagar. 1.2 Objetivos 1.2.1 Montaje de una Bancada • Diseñar y desarrollar el montaje de una pila de combustible en una bancada con el objetivo de que una vez probada y verificada integrarla en un coche eléctrico alimentado inicialmente con baterías. • Realizar el control y la supervisión de las referencias que le llegan a la PEM y con ellas decidir el encendido o apagado de dicha pila, con el objetivo de aumentar la autonomía de las baterías. 1.3 Estrategia Seguida para Lograr los Objetivos Para el diseño de la bancada, la estrategia seguida ha sido investigar sobre diseños e instalaciones de bancada de hidrógeno, con el objetivo de conocer la mejor disposición de cada dispositivo, los materiales utilizados, las marcas de los dispositivos para realizar la compra. Una vez realizado el diseño teórico se llevará a cabo la programación en Labview del controlador del encendido y apagado de la PEM, así como el del convertidor DC/DC. Una vez conocidos los objetivos del trabajo se detalla la estrategia seguida para alcanzar dichos objetivos: • En el segundo capítulo se realiza un resumen sobre las pilas de combustible y sobre su historia, así como de la pila con la que se va a trabajar. • En el tercer capítulo se expone cómo se llega al diseño final de la bancada y se explica éste junto con todo el material necesario para ello. • En el cuarto capítulo se explican las características de las botellas de hidruro con las que se va a realizar la bancada. También se detalla la manera más eficiente y segura de cargar dichas botellas con hidrógeno comparando dos tipos de cargas diferentes. 1.3 Estrategia Seguida para Lograr los Objetivos 3 • En el quinto capítulo se exponen los requisitos del algoritmo que se debe programar y se explica cómo se ha hecho. •Por último, en el capítulo sexto se dan las conclusiones finales y las futuras líneas de trabajo. 2 Estado Del Arte Una de las virtudes del ingeniero es la eficiencia. Guang Tse En este capítulo se conocerá un poquito la historia de las pilas de combustible y cuál es su funcionamiento, así como sus futuras aplicaciones. 2.1 Introducción Una celda o pila de combustible es un dispositivo electroquímico que convierte la energía química de reacción directamente en energía eléctrica, mientras se suministre combustible y oxidante a sus electrodos, sin más limitaciones que los procesos de degradación o mal funcionamiento de los componentes. Como resultado de la reacción electroquímica se produce agua y electricidad. El agua abandona la pila de combustible a través de los electrodos y la corriente eléctrica pasa a un circuito externo. En principio, cualquier sustancia susceptible de oxidación química, que pueda suministrarse de forma continua a la pila, puede utilizarse como combustible. Del mismo modo, cualquier sustancia que se reduzca químicamente de forma suficientemente rápida puede servir como oxidante. Hidrógeno y oxígeno gaseosos son el combustible y oxidante elegidos en la mayoría de las aplicaciones de las pilas de combustible. El hidrógeno presenta una alta reactividad en presencia de catalizadores adecuados, puede obtenerse a partir de hidrocarburos, y alcanza una alta densidad energética cuando se almacena criogénicamente para aplicaciones en ambientes cerrados. El oxígeno se obtiene directamente del aire siendo su almacenamiento fácil y económico. Las pilas de combustible se diferencian de las baterías en que éstas últimas son dispositivos de almacenamiento de energía. El máximo de energía disponible se determina por la cantidad de reactivos químicos almacenados dentro de la propia batería que cesará de producir energía cuando se consuman los reactivos químicos. En una batería secundaria, los reactivos químicos son regenerados por recarga, que implica poner energía de una fuente externa en la batería. 2.2 Funcionamiento y Ventajas La reacción global que tiene lugar en una pila de combustible es la combinación de hidrógeno y oxígeno para formar agua: 2H2+O2→2H2O A diferencia de la combustión convencional, en las pilas de combustible, comburente y combustible no entran en contacto directo. En el ánodo tiene lugar la oxidación del combustible (semireacción de oxidación), 5 6Capítulo 2. Estado Del Arte mientras que en el cátodo el oxidante consume los iones positivos del electrolito y los electrones generados en el ánodo (semirreacción de reducción), que se mueven por la diferencia de potencial generada entre los dos electrodos: Figura 2.1 Funcionamiento de la Pila de Combustible. Los elementos básicos de una celda de combustible son los electrodos, el cátodo, polo positivo, y el ánodo, polo negativo; el electrolito, sustancia encargada de transportar los iones producidos en las reacciones redox; la matriz, que contiene el electrolito y que no es necesaria cuando éste es sólido; y la placa bipolar, que actúa como colector de corriente y distribuidor de gas. En el funcionamiento de la celda, los gases pasan hacia el electrolito a través de los poros de los electrodos, los oxidantes a través del cátodo y los combustibles a través del ánodo. Se produce una interfase electrodoelectrolito-reactivos que juega un papel determinante en el comportamiento electroquímico de la celda. En esta interfase, región muy delgada de unas pocas micras de espesor, el gas se difunde hasta la superficie del electrodo mojada por el electrolito, donde reacciona electroquímicamente produciendo las cargas eléctricas que crean la corriente eléctrica exterior, y los iones que son transportados a través del electrolito cerrando el circuito. La cantidad de electrolito presente en la interfase es un factor clave. Un excesivo contenido en electrolito en la interfase dificulta el acceso de los gases a los centros reactivos, donde se encuentra el catalizador, mientras que un contenido demasiado bajo de electrolito en la interfase limita el transporte de los iones a los lugares donde tiene lugar la reacción. La ventajas de utilizar las pilas de combustibles son las siguientes: •Su buen rendimiento, en torno al 40 o 50 % y con posibilidades de mejora. • Este rendimiento, a diferencia de otros sistemas, es relativamente alto para distintas potencias en un mismo sistema (es decir funcionando tanto a plena potencia como a cargas parciales), lo que permite ajustar la producción a la demanda sin sacrificar la eficiencia. • Asimismo, el rendimiento es bueno independientemente del tamaño del sistema (a diferencia de los sistemas térmicos, en los que el rendimiento mejora con el aumento de escala). •Son sistemas con muy poca inercia, que pueden seguir casi al instante la curva de demanda. • Tienen un carácter modular, lo que significa por un lado un aumento de la fiabilidad a la vez que una reducción de costes, y por otro que las plantas se pueden construir en poco tiempo y pueden aumentar 2.3 Historia 7 o disminuir la potencia sin cambiar su diseño. Además se puede conseguir una muy alta disponibilidad, ya que la parada de un módulo no supondría la parada del sistema completo. • Al carecer de partes móviles, las pilas de combustible son silenciosas, no producen vibraciones (estas afirmaciones no son válidas para algunos de los componentes auxiliares), y por ello, en teoría, requieren poco mantenimiento. 2.3 Historia La idea original data de 1839, cuando un jurista galés, Sir William Figura 2.2 William. Grove (1811 – 1896), diseñó el primer dispositivo. Para su preparación utilizó dos electrodos de platino sumergidos en ácido sulfúrico, que alimentaba con oxígeno e hidrógeno, respectivamente. A partir de la disociación del H2SO4, la reducción tenía lugar en el electrodo alimentado con O2 (cátodo), que reaccionaba con los iones H+ formando agua; en esta reacción intervenían los electrones, que eran generados en el ánodo durante la oxidación del H2, que reaccionaba con el ion SO42- para formar ácido sulfúrico. Conectando seis de estos dispositivos en serie, los utilizó como generador eléctrico para descomponer el agua. Posteriormente, otros inventores fueron introduciendo ciertas modificaciones ; así, en 1855, Becquerel construyó otra celda que consumía carbono a partir de un electrolito de nitrato fundido (nitrato de potasio) contenido en un recipiente de platino. En 1894, Mond y Langer utilizaron como electrodos unas planchas de platino con pequeños orificios, que recubrieron con negro de platino, usando como electrolito ácido sulfúrico diluido dentro de una matriz porosa denominada paris. Pero el verdadero desarrollo tecnológico de estos dispositivos tuvo Figura 2.3 Configuración del dispositivo de William R. Gro- ve, según su publicación "On the Gas Voltaic Battery", Philosophical Magazine and Journal of Science (1843) p. 272. lugar, gracias a Francis T. Bacon, ya entrado el siglo XX. En 1952 se construyó una planta de 5 kW basada en la tecnología de hidrógeno/oxígeno que se había desarrollado a partir de 1932. La celda consistía en un ánodo de níquel, un cátodo de óxido de níquel litiado, y un electrolito de hidróxido de potasio concentrado al 85%; operaba a una temperatura de 200-240 º C, y a una presión de 30-40 bar que impedía la ebullición del electrolito. Esta pila sirvió como base para desarrollar las fuentes de energía auxiliares de los vehículos espaciales. Pero ha sido debido a la crisis energética mundial que se vivió a partir de 1973, cuando se ha producido un incremento del estudio para el desarrollo de las celdas de combustible. 2.4 Uso y Aplicaciones El hidrógeno y las pilas de combustible pueden adaptarse a y aplicaciones muy diversos, tanto para aplicaciones estacionarias como para aplicaciones portátiles o de transporte . El hidrógeno como vector energético brinda la opción de almacenar energía a gran escala, lo que en aplicaciones estacionarias podría traducirse en una evolución hacia un nuevo concepto de gestión de redes eléctricas, en las que los flujos energéticos podrían ser multidireccionales y la generación renovable poco predecible no supondría mayores impedimentos. Previsiblemente, estas aplicaciones estacionarias masivas sean el primer nicho de mercado de las pilas de combustible de alta temperatura, pesadas y con grandes inercias pero con mayor flexibilidad de combustible, vida útil más larga y mejores eficiencias. Aplicaciones estacionarias más pequeñas y de activación rápida son ya comerciales, utilizando sobre todo pilas PEM y orientadas a actuar como generadores de potencia de emergencia en momentos en los que falla el suministro 14 Capítulo 3. Montaje de la Bancada Figura 3.9 Nuts y Ferrulas. •Conector en T X 2 Figura 3.10 Conector en T. •Transductor de presión STW X 1 Figura 3.11 Tranductor dde Presión. •Unión en codo X 2 Figura 3.12 Unión en Codo. •Botellas de hidruro X 2 3.2 Material Necesario 15 Figura 3.13 Botellas de Hidruro. •Pila PEM X 1 Figura 3.14 Pila PEM. •Electroválvula de la PEM X 1 Figura 3.15 Electroválvula. •Convertido DC/DC X 1 Figura 3.16 Convertidor DC/DC. •Tarjeta CB-68LP-National Instrument X 2 16 Capítulo 3. Montaje de la Bancada Figura 3.17 Tarjeta CB-68LP. •Relé X 1 Figura 3.18 Relé. •Baterías X 5 Figura 3.19 Baterías. •Carga X 1 Figura 3.20 Carga. •Fuente X 1 3.3 Montaje Teórico 17 Figura 3.21 Fuente. 3.3 Montaje Teórico El montaje que se muestra a continuación se trata de un montaje teórico, es decir, la finalidad del montaje de esta bancada es integrarla en el coche eléctrico que tiene el departamento, luego, las medidas de los tubos, la disposición de los diferentes elementos y todas las conexiones vendrán condicionadas por el espacio disponible en dicho coche. El esquema siguiente muestra la distribución inicial, tras la visita al Centro Nacional del Hidrógeno: Figura 3.22 Esquema Inicial. Dicho esquema se pensó para que se pudiesen utilizar ambas botellas independientemente, siendo controladas por el sensor de presión. De esta forma se podría elegir si se quería que trabajasen las dos botellas juntas o cada una por separado, así como cerrar la botella que se desease en caso de que la presión de salida fuese más baja de la deseada. Este primer diseño, como se puede observar, era demasiado caro, ya que todo el sistema era doble, lo mismo para la línea de cada botella. Tras una una comunicación con el INTA, en la que se les explicó lo que se quería hacer y se les envío el primer esquema inicial, se llegó al siguiente diseño: 18 Capítulo 3. Montaje de la Bancada Figura 3.23 Segundo Esquema. En este esquema se observa cómo se han reducido elementos como los sensores de presión y válvulas antirretorno. También se puede ver cómo se ha introducido un caudalímetro, necesario para lineas futuras de investigación, como puede ser el cálculo de las pérdidas de carga de nuestro sistema. Finalmente se eliminó la válvula antirretorno por su nula utilidad. Para que quede claro el montaje se mostrará por separado el montaje de la pila con el hidrógeno y por otro, el de la pila con el sistema de potencia: Figura 3.24 Instalación de Hidrógeno. En la figura no se aprecia la distribución de las botellas, pero cuando se haga real, las botellas se deberán de colocar en el lado de las rejillas de la pila, para aprovechar el calor que esta desprende, ya que como se explicará en el siguiente punto, las botellas al descargarse se enfrían y por tanto, si se calientan, se vacían con mayor facilidad. Una vez conocida la distribución de la parte de los hidruros, se pasa a conocer la distribución de la parte de potencia y datos: 3.3 Montaje Teórico 19 Figura 3.25 Instalación de la parte de Potencia y de Datos. El relé que se ve entre la fuente y el convertidor es excitado por la tarjeta, dependiendo de las referencias que le lleguen. Así mismo, la tarjeta tiene 7 cables, 4 entradas analógicas, 4 salidas analógicas y dos señales, una de ON, para que el convertidor se encienda y otra de RUN para que este se ponga en funcionamiento y comience a demandar potencia a la PEM. 4 Botellas de Hidruro Lo que sabemos es una gota de agua, lo que ignoramos es el océano. Isaac Newton En el siguiente capítulo se detalla toda la información referente a las botellas de hidruro con las que se han trabajado, así como el proceso de llenado llevado a cabo. 4.1 Introducción El almacenamiento de hidrógeno en hidruros metálicos representa la forma más segura de almacenar el hidrógeno, es fiable pero puede ser muy cara. La base del método consiste en que ciertos metales y aleaciones metálicas tienen la propiedad de formar enlaces covalentes reversibles cuando reaccionan con el hidrógeno, formando lo que se conoce como hidruros metálicos, que se descomponen cuando se calientan liberando el hidrógeno. El hidruro se forma sometiendo un determinado metal a una presión elevada de hidrógeno, lo que ocasiona que el metal, como si fuera una esponja, atrape átomos de hidrógeno en su estructura cristalina. Basta luego disminuir la presión exterior para que el metal libere el hidrógeno. Los hidruros tienen la importante propiedad de que pueden utilizarse para almacenar hidrógeno durante muchos ciclos de asociación-disociación, sin que disminuya su capacidad de almacenamiento. Los tanques de metal-hidruro, por tanto tienen en su interior una aleación capaz de absorber hidrógeno, el cual más tarde se recupera aportando calor. Los hidruros metálicos llevan una proporción del 1-7% en peso de hidrógeno. En metales como el titanio, la concentración de hidrógeno por unidad de volumen es más alta que en el hidrógeno líquido. El uso de este seguro y eficiente sistema de almacenamiento depende de identificar un metal con suficiente capacidad de absorción operando en el rango apropiado de temperatura. Más de 200 aleaciones diferentes se han estudiado siendo las más adecuadas las del grupo V de los metales de transición, tanto por su capacidad de almacenamiento como por su precio, su no decrepitación y la baja temperatura que se necesita para disociar el hidruro. Otros compuestos orgánicos que pueden liberar hidrógeno por reacciones de reformado pueden ser considerados también como hidruros, tal es el caso del metano, el metanol y el metilciclohexano. La alta capacidad de los hidruros metálicos requiere altas temperaturas (300- 350 º C) para liberar hidrógeno. Así el hidrógeno puede almacenarse en forma de hidruro a altas densidades por simple compresión, se almacena generalmente a presiones entre 3 y 6 MPa. Ciertos metales apropiados permiten espacios donde los átomos de hidrógeno pueden situarse. El calentamiento del hidrógeno libre, cuando ocurre la absorción del hidrógeno, tiene que eliminar el hidruro almacenado para evitar producir daño sobre los contenedores de almacenamiento. Los hidruros a altas temperaturas (niveles de temperaturas a las cuales el hidrógeno empieza de nuevo el proceso de disociación) son más eficientes que los hidruros a bajas temperaturas. Los hidruros a bajas temperaturas se suelen usar en aplicaciones de automóviles (porque solamente el calor inútil a baja temperatura está disponible para refrescar el motor). Las investigaciones están desarrollando sistemas de hidruros metálicos a baja temperatura, que puede almacenar de 3 a 5% de hidrógeno 21 22 Capítulo 4. Botellas de Hidruro (de densidad gravimétrica). Recientemente han comenzado experimentos con hidruros a temperaturas medias. El proceso se refleja mediante las siguientes reacciones químicas, el calor se libera cuando se forma el compuesto (reacción exotérmica de absorción), y el calor debe suministrarse para liberar el hidrógeno (reacción endotérmica de desorción): M+nH2→MH2n+calor (Carga o absorción) MH2n+calor →M+nH2(Descarga o desorción) Donde M representa el metal, elemento o aleacción. El problema de los tanques de metal-hidruro es doble: además de necesitar el aporte de energía para recuperar el hidrógeno, como se ha dicho, el rendimiento de los mismos no es del 100%, es decir, no es recuperable todo el hidrógeno que se introduce en los mismos. 4.2 Ovonic 85G555B Para el estudio realizado se ha trabajado con botellas de hidruro de la marca Ovonic y modelo 85G555B dada las ventajas ya citadas sobre el uso del almacenamiento de hidrógeno en hidruros. El hidrógeno se almacena con la tecnología de hidruros metálicos; en el laboratorio hay dos botella de Sistema de Ovonic-Hidrógeno como se muestran a continuación: Figura 4.1 Botella de Hidruro. Las botellas requieren hidrógeno 5,0 (es decir, una pureza mayor de 99,999% o menos impurezas que 1 ppm). El cilindro, hecho de aluminio, se llena con hidruros de aleaciones de metales; la botella contiene: hidrógeno, cromo, hierro, manganeso, vanadio, titanio, circonio, aluminio y estaño. La adsorción de hidrógeno es un proceso exotérmico por lo que hay liberación de calor al medio ambiente, mientras que la descarga es un proceso endotérmico, por lo tanto, absorbe calor del medio ambiente. Como puede verse en la figura 4.2 izquierda, la presión de hidrógeno en la botella aumenta con la temperatura en el tanque. Durante la fase de carga, la presión aumenta cuando aumenta la temperatura y para impedir que se llegue inmediatamente a la presión máxima de la botella y que no se pueda realizar la carga completa, las botellas se introducen en un baño de agua a temperatura ambiente (figura 4.2 derecha), durante la fase de descarga, cuando 4.2 Ovonic 85G555B 23 Figura 4.2 a) Presión vs Temperatura, b) Refrigeración en la carga. tienen que alimentar a las células, la botella se enfría y para mantener la alta presión se utiliza un sistema que caliente la botella (figura 4.3). Figura 4.3 Calentamiento en la Descarga. La siguiente gráfica muestra el rendimiento de las botellas durante la fase de descarga usando una celda de combustible PEM con flujo de aire a temperatura ambiente que sopla sobre la superficie de la botella: Figura 4.4 Rendimiento de las Botellas durante la Descarga. 30 Capítulo 4. Botellas de Hidruro Botella 2 El llenado de esta botella ha sido durante 8 horas a una presión de 15 bar, la máxima conseguida con la instalación disponible en el laboratorio. Se comenzó con una presión menor para que no fuese tan repentino. A continuación se muestra en una tabla la presión y el tiempo transcurrido en cada secuencia: PRESIÓN (bar) TIEMPO (min) 5 5 10 5 15 480 Realizando los mismos cálculos que en el apartado anterior y teniendo en cuenta que P1 = 60 bar y P2 = 40 bar, se obtiene que: mT2=79,348g Dado que la carga máxima admisible por la botella de hidruro con la que se está trabajando es de 68 g, se deduce que las hipótesis llevadas a cabo no son del todo correctas ya que en la carga de la segunda botella se obtienen unos resultados mayores a los admisibles, sin embargo, dichos cálculos son válidos para llegar a la conclusión de que la carga correcta es aquella en la que la botella de hidruro se carga durante 8 horas seguidas a 15 bar, tal y cómo describía su datasheet. 5 Desarrollo del Controlador de la PEM para la Bancada El fracaso es, a veces, más fructífero que el éxito. Henry Ford En este capítulo se presenta el algoritmo realizado en LabView para el control de la pila. En el algoritmo se ha programado el encendido de la pila en función de la carga de las baterías. 5.1 Requisitos para el Diseño del Controlador La pila Nexa 1200 genera una potencia máxima de 1200 W, por lo que no es suficiente para trabajar con ella como única fuente de potencia, ya que el objetivo final del PEM es instalarla en el coche eléctrico FOX que se encuentra en el laboratorio. Dicho coche tiene 4 ruedas y en cada una de ellas se encuentra un motor que consume una potencia máxima de 7,5 KW, por lo que se deduce que el funcionamiento de dicho coche mediante la PEM es imposible. Por ello, la finalidad de la PEM será aumentar la autonomía de las baterías. La pila puede trabajar con una potencia máxima de 1200 W, pero en su régimen óptimo trabaja a 600 W, ya que a esta potencia la PEM es más eficiente. La pila funcionará cuando la tensión de las baterías baje de un valor determinado. Este valor es aquel en el cuál empiezan a sufrir las baterías, a partir de un 20% de su carga. Para el estudio teórico se considera como voltaje mínimo 76,8 V.Por otro lado, la carga de las baterías también tienen un límite superior, este es de 90 V. 5.2 Descripción del Algoritmo Diseñado Se comenzará con la explicación del algoritmo finalizando con imágenes de éste. Para la realización del algoritmo se tuvo que pensar bajo que circunstancias sería bueno que la pila se encendiese para aumentar la autonomía de las baterías. En un principio se pensó en controlar el encendido de la pila mediante el control de la carga de las baterías, es decir, de la tensión y de la intensidad que demandaban las ruedas y el resto de sistemas a dichas baterías. Se comenzó a trabajar con estas dos restricciones pero al final se llegó a la conclusión que controlando la intensidad podría darse el caso en el que la pila estuviese encendiéndose y apagándose en intervalos cortos de tiempo, algo que no era recomendable, por ello se optó por realizar el control mediante la tensión. Como ya se ha comentado anteriormente, la tensión crítica por debajo de la cuál las baterías comienzan a sufrir es 76,8 V, por lo que para nuestro algoritmo se ha tomado un valor superior. Teniendo en cuenta las 31 32 Capítulo 5. Desarrollo del Controlador de la PEM para la Bancada posibles variaciones de tensiones en poco tiempo debidas a la conducción y preguntando a Juan José por su experiencia, se ha tomado el valor límite de 80 V. Es decir, cuando las baterías se encuentren en una carga de 80 V la pila debe de encenderse. Con el encendido conseguimos que las baterías se carguen y aumenten así su autonomía. La cuestión que surgía ahora era cuando apagar la pila. Dado que lo que se busca es aumentar la autonomía de la batería, se pensó que lo ideal sería cargarlas por completo, es decir, una vez que las baterías se encontrasen a 80 V, la pila se encendería y quedaría así hasta llegar a la carga máxima de éstas, 90 V. A continuación se detallan las características del algoritmo: 1. Estando la pila apagada, en OFF, la secuencia que debe de seguir para ponerse en marcha es: OFF → STANDBY → RUN. La pila necesita un tiempo de calentamiento antes de que se ponga a funcionar. Este calentamiento puede llevar entre 1 minuto 35 segundos a 2 minutos 51 segundos. Dicho tiempo varía según la temperatura a la que se encuentre la pila. Por ello, al iniciar el programa, se pasa de OFF → STANDBY y se esperan 3 minutos antes de que empiece a funcionar la pila, es decir, durante tres minutos la pila no se va a encender en el caso de que la carga de las baterías fuese igual o inferior a 80 V. Toda acción sobre la pila también queda anulada, dado que no es recomendable estar encendiéndola y apagándola continuamente y menos en su calentamiento. Cuando se envía el mensaje de STANDBY a la pila se abre la electroválvula que permite el paso de hidrógeno desde las botellas hasta la PEM. 2. Tras el calentamiento se programa un bucle if dominado por un pulsado de STOP, ya que ante cualquier problema dicho pulsador tiene que tener preferencia sobre cualquier acción. En el sistema de la bancada, como ya se ha comentando anteriormente hay un convertidor DC/DC que es el encargado de demandar la potencia a la pila, pues bien, este, junto con la pila tiene una secuencia de encendido y apagado. Para apagar la pila, primero se debe apagar el convertidor, para que así deje de demandar a potencia a la pila y ésta pueda apagarse sin problemas. Así, en el momento en el que se pulsa el STOP, se envía un mensaje de OFF al convertidor DC/DC y después un mensaje STANDBY a la pila, se espera un 1 segundo para que se de una transición y finalmente se envía el mensaje de OFF para que la pila se apague completamente. 3. Otra situación crítica que se debe tener en cuenta y debe ser prioritaria sobre otras, después del pulsador, es la letura de la presión que le llega a la pila desde las botellas. Dicha presión viene dada por el sensor colocado a la salida de dichas botellas. Si la presión que llega a la pila es igual o inferior a 3 bar, la pila se debe de parar, ya que la pila no puede trabajar por debajo de ese valor. Por encima también hay un límite, 12 bares. Si se alcanza esta presión se apaga el convertidor y la pila recibe un mensaje de STANDBY. 4. Una vez que ya se han pasado los controles prioritarios se pasa a la lectura del voltaje. En el caso de que éste sea menor que 80 V, se envía un mensaje de RUN a la pila, y se queda encendida hasta que las baterías alcanzan una carga de 90 V. Ahora la secuencia entre la PEM y el convertidor es al revés, una vez que se ha encendido la pila se enciende el convertidor DC/DC, para que así cuando demande potencia, la pila ya se encuentre lista para ello. Una vez que las baterías alcancen una carga de 90 V se apaga el convertidor y se le envía un mensaje de STANDBY a la PEM, ya que el apagado total de la pila sólo se realiza cuando se pulsa STOP, para ahorrarnos el tiempo de calentamiento de la pila en el caso de que se tuviese que poner en marcha otra vez. Todos los mensajes que se envían en el algoritmo van hacia un programa de comunicaciones que se encuentra en el mismo ordenador en el que se tiene Labview. Este programa se encarga de comunicarse con la PEM y el convertidor DC/DC, indicándoles cuando tienen que funcionar o no. A su vez, la PEM es la encargada de abrir o cerrar la electroválvula para que el entre o no hidrógeno. Seguidamente se muestra el algoritmo llevado a cabo: 5.2 Descripción del Algoritmo Diseñado 33 Figura 5.1 Primera Etapa. 34 Capítulo 5. Desarrollo del Controlador de la PEM para la Bancada Figura 5.2 Segunda Etapa. 5.2 Descripción del Algoritmo Diseñado 35 Figura 5.3 Tercera Etapa. 36 Capítulo 5. Desarrollo del Controlador de la PEM para la Bancada Figura 5.4 Cuarta Etapa. 5.2 Descripción del Algoritmo Diseñado 37 Figura 5.5 Quinta Etapa. 38 Capítulo 5. Desarrollo del Controlador de la PEM para la Bancada Figura 5.6 Sexta Etapa. 5.2 Descripción del Algoritmo Diseñado 39 Figura 5.7 Séptima Etapa. 46 Índice de Figuras 4.8 Línea exterior 26 4.9 Comprobación de Fugas de Hidrógeno 27 4.10 Refrigeración en la Carga 27 4.11 Manómetro y Llave de Paso en el Interior del Laboratorio 28 5.1 Primera Etapa 33 5.2 Segunda Etapa 34 5.3 Tercera Etapa 35 5.4 Cuarta Etapa 36 5.5 Quinta Etapa 37 5.6 Sexta Etapa 38 5.7 Séptima Etapa 39 5.8 Octava Etapa 40 5.9 Diagrama de Flujo 41 5.10 Interfaz del Usuario 42 Índice de Tablas 2.1 Características Técnicas de la Fuel Cell 9 47 Bibliografía [1] Juan José Márquez Quintero. Desarrollo de Sistema de Control y Supervisión de una PEMFC para su Integración en Sistemas Híbridos de Energía. Sevilla, 2015 [2] S. Giddey, S.P.S. Badwal, F.T. Ciacchi, D. Fini, B.A. Sexton, F. Glenn, P.W. Leech. Investigations on fabrication and lifetime performance of self – air breathing direct hydrogen micro fuel cells International Journal of Hydrogen Energy 35 (2010) [3] Frederick D. Gregory. Safety Standard for Hydrogen and Hydrogen Systems Washington (1997) [4] Dennis J. Eichenberg. The Fuel Cell Powered Club Car Carryall Glenn Research Center, Cleveland, Ohio (2005) [5] J.I. San Martín, I. Zamora, J.J. San Martín, V. Aperibay, P. Eguia. Análisis del Comportamiento Dinámico de una Pila de Combustible PEMFC (2009) [6] Stefano Ferrarese. Upgrade e Commissioning di un Sistema di Test ad Alte Prestazioni per Celle a Combustibile di Tipo PEM Uniersità Degli Studi di Padova (2013) [7] Heliocentris. Datasheet [8] Asociación Española de Pilas de Combustible. http:// www.appice.es/ app.php?x=3&x2=1_1 49