Una membrana de intercambio de protones (PEM), una celda de combustible utiliza un sistema electroquímico para convertir hidrógeno y oxígeno en agua y electricidad. Las reacciones que ocurren dentro del dispositivo se pueden simular en un sistema informático. Este artículo describe cómo reproducir electrónicamente un modelo de pila de combustible.
Tabla de contenido
Visión general
Debido a su alta eficiencia y baja temperatura de funcionamiento, las pilas de combustible PEM pueden desempeñar un papel importante en la generación de energía en el futuro. Estas son actualmente las tecnologías líderes para aplicaciones automotrices. Una celda de combustible es un dispositivo que convierte la energía electroquímica en energía eléctrica en forma de voltaje de CC, similar a una batería normal, excepto que la celda de combustible debe recibir un suministro continuo de gases reactivos. La investigación se ha centrado en técnicas de producción de bajo coste y máxima autonomía.
Las celdas de combustible PEM utilizan una reacción electroquímica que involucra hidrógeno y oxígeno para producir electricidad. El subproducto producido es agua en estado muy puro. Esto tendrá un impacto significativo en los esfuerzos por lograr un medio ambiente más limpio, incluso en áreas densamente pobladas. En el interior hay una membrana parcialmente permeable que permite el paso de los protones pero bloquea el paso de los electrones. Esto se denomina celda de membrana de intercambio de polímero sólido. La figura 1 muestra un diagrama de funcionamiento general de una celda de combustible PEM y también describe brevemente su estructura. El hidrógeno entra en la estructura a través del ánodo y se separa en protones y electrones. Los protones atraviesan la membrana y los electrones salen en forma de corriente eléctrica. El oxígeno ingresa a la celda a través del cátodo y se combina con protones y electrones para producir agua y calor como subproductos.
Figura 1: Operación y estructura de la celda de combustible PEM
El funcionamiento de las celdas de combustible PEM es muy importante ya que requiere un estricto cumplimiento de ciertos parámetros ambientales y operativos, como la temperatura y la humedad. Las celdas de combustible de baja temperatura se caracterizan por un arranque rápido, capacidad de congelación y resistencia a las fluctuaciones de temperatura y presión. Algunas características se muestran en la siguiente tabla.
| general fuera de rango | 1 a 100kW |
| Escalabilidad | maravilloso |
| dinámica de cobertura | maravilloso |
| Densidad de poder | maravilloso |
| calidad del calor | bajo |
| Hipersensibilidad a los contaminantes | caro |
| Tiempo de inicio | rápido |
| Robustez | maravilloso |
| toda la vida | bien |
algunas aplicaciones
Las celdas de combustible tienen el potencial de usarse en cualquier dispositivo que requiera un generador de CC de pequeña, mediana o alta potencia. Las celdas de combustible PEM están en uso y se utilizan cada vez más en el sector automotriz para reemplazar las baterías tradicionales con requisitos de temperatura relativamente bajos, que las celdas de combustible PEM ciertamente tienen el potencial de hacer posibles. Sin embargo, no debemos olvidar que el hidrógeno no es una fuente de energía, sino un vector, un medio para almacenarla, transportarla y utilizarla de forma respetuosa con el medio ambiente. El uso de hidrógeno no resuelve el problema del suministro de energía, solo resuelve el problema de la contaminación. Además, se pueden usar para alimentar pequeños dispositivos eléctricos y portátiles, como teléfonos móviles y computadoras portátiles, pero las baterías de litio son más potentes y eficientes en este momento. El potencial de esta tecnología es tan grande que puede utilizarse para la producción de energía in situ en edificios privados y comerciales.
simulación eléctrica
Debido a que las características de las celdas de combustible PEM difieren de un modelo a otro, no es posible hacer generalizaciones sobre su comportamiento, pero debemos referirnos a dispositivos individuales para observar sus características. Por ejemplo, considere la pila de celdas de combustible H-30, un dispositivo listo para usar que no es el último diseño. Las características incluyen:
- tipo PEM.
- Consta de 14 celdas.
- Puede entregar 30 W de potencia a 3,6 A y 8,4 V de corriente.
- La temperatura máxima es de 55 ℃.
- Su eficiencia es del 40% a plena potencia.
Por supuesto, su potencia de salida no es lineal y sigue la curva característica I/V que se muestra en la Figura 2. Cuando el dispositivo está ligeramente cargado, el voltaje a través del dispositivo será alto, lo cual es normal. En este gráfico se puede observar la curva característica de tensión frente a corriente (gráfico superior) y la curva característica de potencia frente a corriente (gráfico inferior). En cuanto al primer gráfico, el voltaje más alto se mide cuando la pila está descargada (0 A) y por supuesto el voltaje más bajo se mide cuando absorbe la carga más alta.
Figura 2: Curvas características V/I y W/I del H-30 Stack
La curva característica de voltaje-sobrecorriente se puede “ajustar a la curva” fácilmente implementando las ecuaciones para crear un modelo matemático del dispositivo PEM. Un muy buen modelo matemático que funciona perfectamente dentro del rango de 0 A a 5 A y es muy tolerable fuera de este rango es:
dónde v(I) es un valor que depende del voltaje presente en la celda de combustible PEM, I es la corriente que fluye hacia la batería PEM, la carga.
Esta función matemática produce los siguientes resultados principales relacionados con los voltajes presentes en la pila:
| Corriente (A) | Voltaje de pila (V) |
| 0.5 | 12.45 |
| 1 | 12.04 |
| 1.5 | 11.71 |
| 2 | 11.24 |
| 2.5 | 10.66 |
| 3 | 10.02 |
| 3.5 | 9.34 |
| cuatro | 8.65 |
| 4.5 | 7.96 |
| Cinco | 7.26 |
La pila de celdas completa (o celda individual) en realidad se puede representar como un generador de voltaje ideal (V1) con una resistencia conectada en serie (Rs) y una resistencia en paralelo de alta impedancia (Rp) que representa su autodescarga, como se muestra en la Figura 3. El último componente no tiene relevancia práctica para las simulaciones de potencia porque su valor es muy alto en la práctica. Sin embargo, la resistencia en serie no tiene un valor fijo y su valor depende de la corriente consumida por la carga (R1). Se trata por tanto de un sistema de ecuaciones destinado a caracterizar el valor de la resistencia serie del generador y adecuar su respuesta estática a la curva paramétrica V/I proporcionada por el proveedor. El voltaje ideal para V1 es exactamente 14 V porque la pila produce hasta 14 V sin carga o circuito abierto. Cuando se carga la pila, este voltaje cae y alcanza los 8,4 V en la salida máxima.
Figura 3: Modelo eléctrico real de una pila de combustible PEM
Este problema se resuelve calculando el voltaje del nodo “celda” de acuerdo con los siguientes parámetros:
- V1 = valor fijo para una batería ideal (aproximadamente 14 V)
- V2 = valor real proporcionado por la curva V/I
- v($) = V1 – V2
- $ = v($)/ I
Gracias a otra tarea compleja de ajuste de curvas y regresión no lineal, podemos encontrar la curva característica variable de la resistencia en serie (Rs) con la siguiente ecuación:
Esta ecuación se puede simplificar a la forma estándar y produce el siguiente resultado principal relacionado con la resistencia en serie de la celda: Esto también se puede ver en la Figura 3 del gráfico asociado.
| Corriente (A) | Resistencia en serie de la batería (Ω) |
| 0.5 | 3.701 |
| 1 | 2.201 |
| 1.5 | 1.733 |
| 2 | 1.551 |
| 2.5 | 1.469 |
| 3 | 1.429 |
| 3.5 | 1.409 |
| cuatro | 1.403 |
simulación completa
Por supuesto, la simulación eléctrica por sí sola no es suficiente para describir y reproducir completamente el comportamiento completo de una celda de combustible PEM. También requiere el uso de diferentes modelos matemáticos con alta fidelidad que reproduzcan la temperatura, presión, etc. del apilamiento de celdas durante la reacción electroquímica. Como es bien entendido, estas son situaciones muy complejas considerando muchos parámetros operativos. Un modelo de una celda de combustible PEM debe incluir los siguientes dominios:
- dominio eléctrico
- dominio fluido
- dominio térmico
Y para cada uno de estos tenemos que observar una gran cantidad de parámetros y comportamientos estáticos y dinámicos. Por supuesto, el propósito de la simulación es mejorar el rendimiento y aumentar la autonomía del sistema. Un modelo eléctrico de celda por sí solo no es suficiente. También se requiere un dimensionamiento completo de todos los componentes que componen el sistema. Muchas empresas han creado bibliotecas de modelos que permiten a los diseñadores e ingenieros simular pilas de combustible. Algunas de ellas son muy sencillas, permitiendo el dimensionamiento del sistema de forma general y rápida, dando al proyectista la posibilidad de iniciar el diseño general. Otras bibliotecas son más complejas y detalladas e incluyen algunos parámetros adicionales. Se pueden utilizar para analizar dispositivos productores de energía, como pilas de combustible PEM, en circuitos eléctricos y, en particular, para evaluar la curva V/I y la temperatura alcanzada por la célula. El proceso de oxidación tiene lugar en el ánodo de acuerdo con la siguiente ecuación:
Por otra parte, el proceso de reducción tiene lugar en el cátodo según la siguiente ecuación:
La reacción general es:
Es interesante notar la forma característica del gráfico de densidad de voltaje versus corriente que se muestra en la Figura 4, como se ve en la pila de arriba. Tenga en cuenta que hay un “rodillazo” de voltaje en tomas de corriente muy bajas de la carga. Si la celda es un circuito abierto sin carga conectada, se extraerán 1,23 V a través de la celda. A continuación se proporciona una ecuación que describe completamente la curva característica de sobrecorriente de voltaje, al menos en los valores mínimo y máximo de la corriente en sí.
dónde F(X) representa el voltaje a través de la celda individual, y X Representa la corriente que fluye a través de la celda.
Por lo general, una sola celda de combustible PEM no es suficiente para alimentar la mayoría de los dispositivos. Muchos elementos deben conectarse en serie para lograr el nivel de potencia requerido. Las conexiones se realizan a través de placas bipolares, lo que permite conectar una celda a otra, actuando como un colector de corriente de ánodo en una celda y como un colector de corriente de cátodo en la celda adyacente. Es muy fácil calcular la potencia total que una pila de celdas de combustible PEM puede entregar utilizando la siguiente fórmula:
dónde PAG.mi es la potencia total y vC es el voltaje de celda individual, I es la corriente a través del circuito y norte es el número de celdas utilizadas.
Las celdas de combustible PEM requieren la presencia de agua suficiente (pero no en exceso) en el electrolito de polímero para garantizar una buena conductividad de protones. Las altas temperaturas deben controlarse con mucho cuidado. La humedad debe ser superior al 80 % para evitar que se sequen, pero inferior al 100 % para evitar que los electrodos se obstruyan con agua.
Figura 4: Gráfico de características de voltaje versus corriente de una celda de combustible típica de baja temperatura y bajo voltaje
Conclusión
Las baterías de hidrógeno son sin duda el futuro de la energía. El hidrógeno es una sustancia incolora, inodora, insípida e inflamable (y puede explotar en altas concentraciones). Los gases producidos pueden estar muy calientes y pueden representar un riesgo de quemaduras. La inhalación de hidrógeno también puede provocar pérdida del conocimiento y asfixia. Cuando se utilizan generadores de hidrógeno, es obligatorio estipular todas las normas de seguridad en la documentación pertinente, así como normas de conducta como la prohibición de tocar las placas de las pilas de combustible y los componentes eléctricos durante el funcionamiento.
El artículo completo se puede encontrar en: novedades en electronica de potencia