03-la-tecnologia-de-las-celdas-de-combustible.pdf

S.E.P

S.E.I.T

D.G.I.T.

CENTRO NACIONAL DE INVESTIGACION Y DESARROLLO TECNOLOGICO

cenidet “LA TECNOLOGIA DE CELDAS DE COMBUSTIBLE Y SU INTERFASE ELECTRÓNICA DE POTENCIA PARA APLICACIONES DOMÉSTICAS E INDUSTRIALES”

T QUE DE EN P

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I

S

PARA OBTENER EL GRADO MAESTRO EN CIENCIAS INGENIERIA MECATRONICA R E S E N T A :

ING. NÉSTOR RAMÍREZ MORALES DIRECTORES DE TESIS: DR. JAIME EUGENIO ARAU ROFFIEL. DR. RIGOBERTO LONGORIA RAMÍREZ

CUERNAVACA, MOR.,

JULIO DEL 2004.

TABLA DE CONTENIDO

Tabla de contenido Agradecimientos Dedicatoria Tabla de contenido .................................................................................. i Lista de símbolos y abreviaturas......................................................... iii Lista de figuras ......................................................................................... vii Lista de tablas ........................................................................................... iv Resumen .................................................................................................... xi Resumen (en inglés) ............................................................................... xiii

Capítulo 1. Introducción a las celdas de combustible ........ 1 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8

Panorama de las celdas de combustible ...................................................................2 La historia y principales aplicaciones ......................................................................3 Avances actuales ......................................................................................................5 Definición de celda de combustible. ........................................................................6 Operación básica de una celda de combustible. .......................................................8 Tipos de celdas de combustible................................................................................8 Aspectos ambientales en las celdas de combustible.................................................12 Conclusiones del capítulo ........................................................................................14

Capítulo 2. Características de operación de la celda de combustible. .....................................................17 2.1 2.2 2.3 2.4

2.5 2.6

2.7

2.8

2.9 2.10

Los sistemas basados en celdas de combustible.......................................................18 Celdas electroquímicas y sus aplicaciones .............................................................. 19 Formas de apilamiento de las celdas de combustible............................................... 20 Ventajas y desventajas operativas de las celdas de combustible.............................. 22 2.4.1 Ventajas y desventajas generales............................................................23 2.4.2 Ventajas y desventajas entre las diferentes celdas de combustible de acuerdo a su régimen de operación. ............................24 El desempeño ideal de la celda ................................................................................26 La energía electroquímica de la celda de combustible.............................................29 2.6.1 El procesamiento de energía en la celda de combustible......................30 2.6.1.1 Determinación del potencial y trabajo eléctrico en la celda ....30 2.6.1.2 La energía libre de Gibbs.........................................................30 2.6.2 El voltaje generado por una celda.........................................................32 2.6.3 Eficiencia en Celdas de combustible ....................................................33 2.6.3.1 Eficiencia ideal y real de una celda de combustible ................33 La curva de operación de la celda de combustible...................................................35 2.7.1 El voltaje reversible de la celda o potencial de Nernst .........................36 2.7.2 Sobrepotencial de activación ................................................................37 2.7.3 Sobrepotencial óhmico .........................................................................37 2.7.4 Sobrepotencial por concentración o transportes de masas....................38 La dinámica de operación de la celda de combustible .............................................39 2.8.1 Factores que afectan el desempeño de la celda.....................................39 2.8.1.1 El efecto de la presión .............................................................40 2.8.1.2 El efecto de la temperatura ......................................................40 2.8.1.3 Los tiempos de arranque en la celda de combustible...............41 2.8.1.4 Cambio rápido de carga ...........................................................43 2.8.1.5 El efecto de capa doble de carga..............................................45 La celda de combustible comparada con otros dispositivos generadores de energía .................................................................................................................47 Conclusiones del capítulo ........................................................................................50 i

TABLA DE CONTENIDO

Capítulo 3. La electrónica de potencia asociada a sistemas basados en celdas de combustible ................. 51 3.1

3.2

3.3

3.4

3.5

El acondicionamiento de energía aplicado a las celdas de combustible ..................52 3.1.1 La importancia de la electrónica de potencia asociada a las celdas de combustible...........................................................................................52 3.1.2 Aspectos generales a tomar en cuenta en el diseño de un sistema de acondicionamiento de energía aplicado a celdas de combustible......................................................................................54 La conversión CD/CD y su importancia en sistemas de alimentación de energía basados en C.C ........................................................................................................55 3.2.1 El convertidor CD/CD ..........................................................................55 3.2.2 Los requerimientos del convertidor CD/CD aplicados a celdas de combustible...........................................................................................57 La problemática al enlazar la celda de combustible con los sistemas de acondicionamiento de energía..................................................................................59 3.3.1 Los sobretiros de tensión en las celdas de combustible.......................59 3.3.2 El rizo de corriente de entrada ..............................................................61 Topologías de acondicionamiento de energía aplicadas a celdas de combustible ...62 3.4.1 Topología no aislada.............................................................................63 3.4.2 Topología con aislamiento galvánico de baja frecuencia .....................64 3.4.3 Topología con aislamiento galvánico de alta frecuencia ......................65 3.4.4 El respaldo de energía para sistemas acondicionadores aplicados a C.C .....................................................................................65 3.4.4.1 Respaldo de energía colocado en paralelo de la celda de combustible ..........................................................................66 3.4.4.2 Respaldo de energía colocado en paralelo después de la celda de combustible ............................................................67 3.4.5 Ejemplos de otras topologías ................................................................67 3.4.5.1 Topología de con filtro activo y respaldo de batería de baja tensión......................................................................67 3.4.5.2 Topología con convertidor CD/CD bidireccional y respaldo de batería................................................................69 3.4.5.3 Topología usando supercapacitores......................................69 3.4.6 Topologías alternativas.........................................................................71 3.4.6.1 Topología con cargador de baterías aplicado celdas de combustible ..........................................................................71 Conclusiones del capítulo ........................................................................................72

Capítulo 4 4.1

4.2

Conclusiones y aportaciones del trabajo ............................................. 75

Conclusiones ............................................................................................................76 4.1.1 Celda de combustible............................................................................76 4.1.2 Aspectos operativos de las celdas de combustible ...............................77 4.1.3 Los sistemas basados en celdas de combustible ...................................78 4.1.4 Problemas a resolver.............................................................................80 4.1.5 La Electrónica de Potencia aplicada a los sistemas basados en celdas de combustible ......................................................................81 4.1.5.1 Diferentes tipos de topologías .................................................82 4.1.6 Perspectivas futuras ..............................................................................83 4.1.7 Perspectivas de la situación nacional e internacional ...........................84 4.1.8 Disponibilidad actual............................................................................84 Trabajos futuros en el CENIDET.............................................................................85

Bibliografía ................................................................................ 87 ANEXOS ..................................................................................... 93 ii

LISTA DE SIMBOLOS Y ABREVIATURAS

Lista de Símbolos y Abreviaturas. Abreviaturas GM NASA FCVH REDOX PEMFC AFC PAFC MCFC SOFC ITSOFC LHV ppm CD CA C.C. Hz CENIDET

General Motors Nacional Aeronautics and Space Administration Fuel Cell Vehicle Hybrid Proceso de oxidación-reducción Polymer Exchange Membrane Fuel Cell (celda de combustible de membrana de intercambio protónico) Alkaline Fuel Cell (celda de combustible alcalina) Phosphoric acid Fuel Cell (celda de combustible de ácido fosfórico) Molten Carbonate Fuel Cell (celda de combustible de carbonato fundido) Solid Oxide Fuel Cell (celda de combustible de oxido sólido) Intermediate Temperature solid Oxide Fuel Cell (celda de combustible de oxido sólido de temperatura intermedia Low Heat Power (bajo Poder calorífico) partes por millón Corriente directa [v] Corriente alterna [v] Celda de combustible Hertz Centro Nacional de Investigación y Desarrollo Tecnológico.

Símbolos K T °C mA cm kW Sn

NO3− Km

H2 H+ e− O2 H 2O

Grados Kelvin Temperatura Grados centígrados miliamperes centímetros kilowatts Estaño Ion nitrato kilómetros

Hidrógeno Ion Hidrógeno Electrón Oxígeno

CO3=

Agua Aluminato de mercurio Dióxido de Zirconio Dióxido de Zirconio-Níquel Trióxido de Manganeso lantanido Monóxido de carbono Bióxido de carbono Bióxido de azufre Metano milivolts Ion Carbonato

E0

Potencial de equilibrio [v]

HgAl2O4 ZrO2 Ni-ZrO2 LaMnO3

CO CO 2 SO2 CH4 mV

iii

LISTA DE SIMBOLOS Y ABREVIATURAS

F P R

Constante de Faraday, la carga en una mole de electrones 96485 Coulombs Presión parcial [Pa] Constante universal de los gases Energía libre de Gibbs de formación

t I E q H M

tiempo [s] corriente [A] Energía interna Calor Entalpía de formación Mol Cambio en la energía libre de Gibbs a temperatura estándar y presion estándar con reactivos puros Energía libre de Gibbs de formación por mole [Joules]

− ∆g f

∆G 0 gf

(g ) f

X

h hf

(h ) f

Energía libre de Gibbs de formación por mole de una sustancia “X” Entalpía por mole Entalpía de formación por mole

X

N

η

VCELDA Videal VFC ENERNST VACT VOHMIC VCON ENERNST

∆G ∆S

Entalpía de formación por mole de una sustancia “X” Numero de Avogadro 6.0022x1023 Eficiencia Voltaje de la celda [v] Voltaje ideal de la celda de combustible [v] Voltaje de la celda de combustible a circuito abierto [v] Potencial termodinámico de la celda [v] Caída de tensión debido a la activación del ánodo y del cátodo (sobrepotencial de activación) [v] Caída de voltaje óhmico (sobrepotencial óhmico) [v] Caída de voltaje que resulta de la concentración o transporte de masas de oxígeno e hidrógeno (sobrepotencial de concentración) [v] Voltaje de Nernst [v] Cambio en la energía libre de Gibbs (J/mol). Cambio en la entropía (J/K mol ).

∗

(PH 2 )

Presión parcial de hidrógeno [atm]

*

( PO2 )

Presión parcial oxígeno [atm] Temperatura de referencia [K] Corriente de operación de la celda [A]

Tref i •

( C O2 )

ξ´ RM

ρM A l µm

λ

Concentración de oxígeno en la interfase catalítica del cátodo [mol/cm3] Coeficientes paramétricos de cada modelo de la celda y estos valores son puestos en ecuaciones teóricas con fundamentos termodinámicos y electroquímicos. Resistencia equivalente de la membrana [Ω] Resistividad específica de la membrana [Ω.cm] Área activa de la celda [cm2] Espesor de la membrana [cm]. micras Parámetro ajustable de preparación de la membrana iv

LISTA DE SIMBOLOS Y ABREVIATURAS

∆

Ra kWh Ah Wh

Cambio en…….. Voltaje [v] Presión Coeficiente en la ecuación para calcular el potencial por transportación de masas. Capacitancia eléctrica [F] Constante de tiempo [S] Resistencia interna de la celda [Ω] Kilowatt-hora Amperes por hora Watts por hora

A d µF RR IAV ILOAD Iref Ireq Ich Kg U

Permisividad eléctrica. área [m2]. Separación de los platos [m]. Microfaradios Resistencia que representa las pérdidas óhmicas Corriente promedio [A] Corriente de carga [A] Corriente de referencia [A] Corriente requerida [A] Corriente de carga [A] Kilogramo Energía interna.

V P B C

τ

ε

v

LISTA DE SIMBOLOS Y ABREVIATURAS

vi

LISTA DE FIGURAS

Lista de figuras. Capitulo 1 Figura 1.1 Figura 1.2 Figura 1.3 Figura 1.4 Figura 1.5 Figura 1.6 Figura 1.7. Figura 1.8. Figura 1.9 Figura 1.10 Figura 1.11 Figura 1.12 Figura 1.13

Celda de combustible tipo PEM. Celda de combustible desarrollada por William Grove. Tractor impulsado por una celda de combustible. Autobús CITARO impulsado por celdas de combustible. Esquema de una celda de combustible. Diagrama esquemático de una celda de combustible. Estructura de una celda de combustible de membrana de intercambio protónico. Estructura de una celda de combustible alcalina. Celda de combustible de ácido fosfórico. Esquema de una celda de combustible de sales carbonatadas fundidas. Esquema de una celda de combustible de óxido sólido tubular. Esquema de una celda de combustible de óxido sólido. Gráfica comparativa de emisiones entre una planta de generación usando combustibles fósiles y una planta a base de celdas de combustible tipo PC25.

Capitulo 2 Figura 2.1 Figura 2.2 Figura 2.3 Figura 2.4 Figura 2.5 Figura 2.6 Figura 2.7 Figura 2.8 Figura 2.9 Figura 2.10 Figura 2.11 Figura 2.12 Figura 2.13 Figura 2.14 Figura 2.15 Figura 2.16 Figura 2.17a. Figura 2.17b. Figura 2.18 Figura 2.19

Diagrama a bloques de un sistema a base de celdas de combustible Conexión simple de tres celdas en serie. Estructura tipo plato bipolar en la celda de combustible. Vista expandida de una unidad de celda de combustible. Potencial ideal en una celda de combustible en función de la temperatura. Flexibilidad de los puntos de operación de acuerdo a las variables que la afectan. Esquema de entradas y salidas en el procesamiento de energía en una celda de combustible. Eficiencia de las celdas de combustible de acuerdo al aprovechamiento de combustible. Perfil característico (voltaje-densidad de corriente) en una celda de combustible. El efecto de la presión en el perfil de operación de la celda de combustible. Gráfica de respuesta de voltaje ante temperaturas de operación en diversas celdas de combustible. Sistema instrumentado basado en celda de combustible de la compañía Ballard. Gráfica de arranque en frió de una celda de combustible de metanol directo. Arranque en frío con temperatura ambiente de una celda de combustible de metanol directo. Perfil de operación obtenido para una celda de combustible de metanol. Respuesta de la celda ante variaciones en carga (Prueba de seguimiento rápido de carga). Gráfica de escalón de corriente aplicado a la celda Respuesta en voltaje de salida. El efecto de capa doble de carga en la celda de combustible. Modelo de circuito eléctrico equivalente de una celda de combustible.

vii

LISTA DE FIGURAS

Capitulo 3 Figura 3.1 Figura 3.2 Figura 3.3 Figura 3.4 Figura 3.5 Figura 3.6 Figura 3.7 Figura 3.8 Figura 3.9 Figura 3.10 Figura 3.11 Figura 3.12 Figura 3.13 Figura 3.14 Figura 3.15 Figura 3.16 Figura 3.17-a Figura 3.17-b Figura 3.18 Figura 3.19-a Figura 3.19-b Figura 3.20-a Figura 3.20-b Figura 3.21 Figura 3.22 Figura 3.23 Figura 3.24 Figura 3.25 Figura 3.26 Figura 3.27 Figura 3.28 Figura 3.29

Sistema basado en celda de combustible para una computadora portátil. Escala de potencias para las diversas aplicaciones en las celdas de combustible. Diagrama a bloques de un sistema de acondicionamiento de energía Topología reductora. Topología elevadora. Topología elevadora-reductora. Topología tipo forward. Topología tipo push-pull. Topología tipo medio puente. Clasificación de las diversos convertidores de acuerdo a su voltaje y potencia de salida. Opciones de topologías de conversión de energía en función de los requerimientos en celdas de combustible. Magnitud de los sobretiros de tensión presentes en una celda de combustible de acuerdo a la corriente demandada en los electrodos. Gráfica de respuesta de un apilado de celda de combustible. Característica de ruido y sobretiro de tensión en un convertidor CD/CD de conmutación dura para una celda de combustible tipo SOFC. El problema de rizado de corriente en un sistema a base de celda de combustible. Topología alternativa para reducir el rizo de corriente. Diagrama a bloques de una topología de conversión no aislada Circuito de ejemplo. Gráficas de rizo de corriente para topología elevadora-reductora. Diagrama a bloques topología con aislamiento galvánico de baja frecuencia Circuito de ejemplo. Diagrama a bloques topología con aislamiento galvánico de alta frecuencia. Circuito de ejemplo. Diagrama a bloques de un sistema acondicionador de energía con sistema de respaldo para una celda de combustible. Sistema con respaldo de energía en paralelo con la celda de combustible. Sistema con respaldo de energía en paralelo después del convertidor CD/CD. Topología propuesta por Santi. Diagrama del control del filtro activo propuesto por Santi. Topología propuesta por Lai. Supercapacitor para respaldo de energía. Topología usando supercapacitores. Topología con cargador de baterías aplicado a celdas de combustible.

Capitulo 4 Figura 4.1 Figura 4.2 Figura 4.3 Figura 4.4

Esquema deseado para un sistema acondicionador de energía para celda de combustible considerando respaldo de energía auxiliar. Etapa de potencia en un sistema generador de energía, aplicado a celdas de combustible. Diagrama esquemático de un sistema generador a base de celdas de combustible en régimen de cogeneración. Sistema fotovoltaico-electrolizador (proyecto del IIE).

viii

LISTA DE TABLAS

Lista de tablas. Capítulo 1 Tabla 1.1 Tabla 1.2

Tipos de celdas de combustible. Tabla comparativa de emisiones contaminantes entre diversos tipos de vehículos.

Capítulo 2 Tabla 2.1 Tabla 2.2 Tabla 2.3 Tabla 2.4 Tabla 2.5 Tabla 2.6 Tabla 2.7 Tabla 2.8

Principales usos y estado actual de las celdas de combustible. Reacciones electroquímicas en las celdas de combustible. Reacciones de las C.C. con su correspondiente ecuación de Nernst. voltaje ideal en las celdas de acuerdo a su temperatura de operación. Propiedades físicas del Nafion Tiempos de arranque (no dimensionados) en frío de las diversas celdas. Comparación en costo de las diferentes baterías secundarias. Costo por generar 1 kW con diferentes tecnologías.

Capítulo 3 Tabla 3.1 Tabla 3.2 Tabla 3.3

Valores de potencia en sistemas de generación eléctrica de acuerdo a los tipos de celdas. Especificaciones de tensión para un sistema instrumentado con una celda de combustible tipo SOFC. Comparación entre el supercapacitor y los métodos de almacenamiento convencional.

Capítulo 4 Tabla 4.1 Tabla 4.2 Tabla 4.3

Tabla comparativa de las diferentes tecnologías para generación de energía. Tipos de electrolitos empleados. Comparación entre tecnologías de turbinas y las tecnologías de celdas de combustible

ix

RESUMEN Las celdas de combustible representan una gran alternativa de generación de energía eléctrica; en años recientes se ha incrementado la investigación y el desarrollo tecnológico, que sin duda vendrá a dar un giro interesante en el tema de generación de energía eléctrica. Dada la preocupación por la disponibilidad de los recursos no renovables (petróleo y sus derivados), se han realizado investigaciones con el fin de desarrollar nuevas formas de generación de energía eléctrica, que por una parte permitan seguir generando energía de buena calidad y por otro tener menores índices de contaminación de los que se tienen actualmente. Durante el siglo 20, las máquinas de combustión interna emergieron como una nueva tecnología usada en pocas aplicaciones tales como: automóviles y locomotoras, pero este tipo de tecnologías contribuyeron en gran medida al problema de contaminación de la atmósfera que tenemos hoy en día. En los comienzos de este siglo 21, las celdas de combustible se están posicionando como una tecnología con gran penetración en aplicaciones que van desde teléfonos celulares hasta la generación de energía eléctrica en plantas de gran escala. Actualmente las celdas están teniendo gran penetración en el mercado, sobre todo en el sector automotriz, el cual está teniendo un impresionante desarrollo, se espera que para el año 2004 se empiecen a comercializar las primeras unidades impulsadas a base de celdas de combustible. El trabajo de tesis es una investigación bibliográfica y su estructura esta comprendida en 4 capítulos: el capítulo 1 da una introducción a las celdas de combustible y su desarrollo a través del tiempo, así mismo, se explica de manera detallada los tipos de celdas que existen y las aplicaciones para las cuales están destinadas de acuerdo a su capacidad de generación; en el capítulo 2 se analizan las características físicas y operativas, más adelante se dan las características generales de funcionamiento de las celdas electroquímicas que rigen el principio de operación de las celdas de combustible, para finalmente explicar el procesamiento de energía que se lleva a cabo en la celda; el capítulo 3 describe la relación que la electrónica de potencia tiene con los sistemas basados en celdas de combustible y se estudian las diversas topologías de conversión CD/CD encontradas en artículos de investigación, finalmente; el capítulo 4 muestra las conclusiones del trabajo de investigación y se ofrecen algunas recomendaciones de trabajos futuros que pueden ser desarrollados. El objetivo de este trabajo de tesis es explorar la naturaleza propia de las celdas de combustible, observar los últimos avances registrados y sus características más relevantes. La justificación de este trabajo es porque se tiene el objetivo a corto plazo de establecer esta línea de investigación en CENIDET y desarrollar aplicaciones relacionadas con celdas de combustible en los diversos programas de maestría con que cuenta la institución. Cabe mencionar que como aportación adicional al trabajo de investigación, se proporciona en la versión electrónica, un medio de poder acceder a los artículos que sirven de base a esta investigación mediante la inclusión de vínculos en las referencias bibliográficas en cada capitulo y facilitar la lectura de este trabajo y proveer de una herramienta de búsqueda más rápida al lector. Esperamos que la información aquí expuesta sea de mucha utilidad para aquellas personas que estén interesadas en estudiar esta tecnología que promete un buen futuro y una excelente alternativa de generación de energía. PALABRAS CLAVE: Celda de combustible, tipos de celdas, procesamiento de energía, electrónica de potencia, convertidor CD/CD.

xi

Abstract Fuel cells represents a great alternative of energy generation, in recent years it has been increased the research and technical development, without a doubt, it will give an interesting turn on electric generation. Many researches have been realized and there are a lot of concerns with availability of no renewal resources (oil and hydrocarbons) in order to develop new forms of electric generation that allow a high quality power generation and less environmental pollution. During 20th century, internal combustion machines emerged like a new technology used in few applications such as automobiles and locomotives, but this type of technologies contributed with the problem of contamination of the atmosphere. In the beginnings of this century 21, fuel cells are being positioned as a technology with great penetration in different applications like cellular phones, energy plants. Actually fuel cells are having great impact on the market, but mainly in the automotive sector, where an impressive development is being had, it hopes that for year 2004 manufacturers begins to commercialize the first units with fuel cells. This thesis is a state of art of fuel cells and it cover a bibliographic work with papers about fuel cells, is supported by four chapters: chapter 1 introduces to fuel cells and its development, and also explains in detail manner different fuel cells characteristics, the applications according with power capacity; in chapter 2 all internal and operational characteristics are analyzed and also fuel cell performance, and ends with energy processing of fuel cells; chapter 3 describe the relationship between power electronics and fuel cells systems, and finally cover DC/DC conversion and topologies for fuel cell systems; chapter 4 give the conclusions of this work and includes some recommendations about future works. The main goal of this work, is explore the nature of this technology and observe actual developments, the justification for this job is because CENIDET wants to establish fuel cells as line of investigation and exploit all capacities of the institution. It’s important to mention that as additional contribution of this work (in electronic file), there are multiple hyperlinks in the document and facilitate the reading of different topics and gives additional tool in order to understand this document. We hope that this information helps to the reader that is interested on fuel cells that is a promising technology. Keywords: Fuel cell, Fuel cell types, energy processing, Power electronics, DC/DC converter.

xiii

CAPÍTULO 1. INTRODUCCION A LAS CELDAS DE COMBUSTIBLE.

CAPÍTULO 1 INTRODUCCIÓN A LAS CELDAS DE COMBUSTIBLE.

L

a evolución que la celda de combustible ha tenido desde su invención, ha venido a dar un giro interesante al desarrollo de nuevas formas de generación de energía eléctrica. Actualmente se desarrollan investigaciones y avances sustanciales en diversas aplicaciones donde la celda de combustible (C.C.) juega un papel importante. [8],[16] El objetivo de este capítulo es mostrar la historia y el desarrollo que la celda de combustible ha tenido hasta hoy, así mismo, se enlistan las características generales y los diversos tipos de celdas que hay disponibles y sus usos más representativos. El documento de tesis concentra información obtenida de diversas fuentes, tales como libros especializados sobre el tema, artículos en revistas especializadas y en sitios de la Internet. El objetivo es mostrar la información de una forma condensada resaltando aquella que se considera fundamental para una mayor comprensión de esta tecnología. Cabe hacer notar que el documento cuenta con hipervínculos a diversos artículos que tratan sobre el tema, lo que permite conocer a fondo sobre algún tópico en particular.

1.1 Panorama de la celda de combustible. 1

LA TECNOLOGÍA DE CELDAS DE COMBUSTIBLE Y SU INTERFASE ELECTRÓNICA DE POTENCIA PARA APLICACIONES DOMÉSTICAS E INDUSTRIALES

Durante el siglo 20 las máquinas de combustión interna emergieron como una novedosa tecnología usada en automóviles y locomotoras, con la desventaja de que contribuyeron en gran medida al problema de la contaminación en la atmósfera. En los comienzos de este siglo 21, las celdas se están posicionando como una tecnología con gran penetración en diversas aplicaciones que van desde su utilización a baja potencia (en Watts), hasta para la generación de energía eléctrica en plantas de gran escala, alta potencia (en Megawatts) [8] La celda es una tecnología que está empezando a difundirse en diversas aplicaciones como fuentes de energía: ¾ Estacionarias ¾ Portátiles ¾ Para el respaldo de energía ¾ Para el uso residencial de energía eléctrica ¾ Para la generación de energía en centrales eléctricas. ¾ En sistemas de transporte Se estima que para el año 2010 esta tecnología se haya expandido a un nivel considerable. [14],[19] Una de las ventajas más significativas en este tipo de tecnología es que se generan bajas emisiones de contaminantes y resulta atractivo emplear C.C. como un medio de generación de energía. Otra de las ventajas desde el punto de vista operativo, es que la celda al integrarse en modo de cogeneración con otros dispositivos, alcanza altas eficiencias en comparación con las obtenidas con tecnologías solo a base de combustibles fósiles.

Figura 1.1.Celda de combustible tipo PEMFC (membrana intercambiadora de protones) Por citar un caso, después de un siglo de constantes mejoras, el motor de combustión interna aún convierte, en promedio, solamente el 16% de la energía disponible de la gasolina, para impulsar un auto. Todas las máquinas de calor tienen eficiencias limitadas por el ciclo de Carnot [58]. La teoría termodinámica para derivar el ciclo de Carnot muestra que en condiciones ideales una máquina de calor utilizada para un vehículo o usada como generador, no puede convertir toda la energía suministrada en energía mecánica y por tanto, algo de energía calorífica se desperdicia. [9]. Por ejemplo, en un motor de combustión interna, en el cual se acepta calor que proviene de una fuente de alta temperatura (T1), parte de esa energía se convierte en trabajo mecánico y el resto se disipa hacia un sumidero de calor a una temperatura más baja (T2), por tanto, entre mayor sea la diferencia de temperatura entre la fuente y el sumidero de calor, mayor será la eficiencia, la cual está dada por la siguiente expresión: Eficiencia

Máxima =

(T1 − T2 ) ...............................(1.1) T1

Donde las temperaturas T1 y T2 están dadas en grados Kelvin

2

CAPÍTULO 1. INTRODUCCION A LAS CELDAS DE COMBUSTIBLE.

Los vehículos impulsados con C.C. a diferencia de los vehículos que operan con gasolina, no están limitados por el ciclo de Carnot; por lo que se alcanzan eficiencias energéticas del orden del 40% al 45% comparadas con eficiencias del 20% al 25% que se alcanzan con las máquinas de combustión interna. Dada esta importante mejora en eficiencia energética, los vehículos impulsados por celdas ofrecen reducciones substanciales de emisiones de gases con efecto invernadero. [59] Los vehículos que usan C.C. han demostrado ser más eficientes que los vehículos de combustión interna, recientemente la empresa automotriz Toyota [www.toyota.com] publicó un estudio en donde se comparan los resultados de eficiencia obtenidos en un vehículo de gasolina y un vehículo impulsado por celdas, mostrando que el vehículo convencional, a gasolina, tiene una eficiencia de tanque a rueda de solo 16%, mientras que su modelo FCVH-4 a base de celdas alcanzó un 48% de eficiencia tanque a rueda, una eficiencia tres veces mayor. [83] De igual manera, General Motors [www.gm.com] anunció que sus prototipos con C.C. tienen el doble de eficiencia que sus vehículos convencionales a gasolina.[84] Como breve conclusión podemos mencionar que la combinación de C.C. con alta eficiencia y el uso combustibles derivados de fuentes renovables de energía eliminarán casi por completo las emisiones de gases con efecto invernadero (dióxido de carbono).

1.2 La historia de las C.C. y principales aplicaciones. Al hablar de celdas de combustible, se piensa inmediatamente en avances tecnológicos que habrán de conducir a la producción limpia de energía con altas eficiencias y barata. Un salto considerable hacia la obtención de esta energía del futuro fue dado en el año 1839, cuando el galés William Grove [85] comprobó que podía generar una corriente eléctrica mediante una reacción electroquímica usando hidrógeno y oxígeno como reactivos. Le ha llevado a la humanidad más de 120 años comprobar la viabilidad de producir energía eléctrica de manera eficiente usando C.C. Fue hasta los años cincuenta y sesenta, del siglo XX, cuando la NASA descubrió que podía usarlas para proveer electricidad en los vuelos espaciales. Los siguientes párrafos muestran la historia de la celda de combustible, desde sus inicios hasta la situación actual [10]. 1839-1849. El científico galés Sir William Robert Grove (1811-1896), considerado generalmente el padre de la celda de combustible, usando sus propios recursos monetarios y gran cantidad de platino, desarrolló un sistema basado en celdas de combustible/electrólisis usando electrodos de platino, como se muestra en la figura 1.2.

Figura 1.2. Celda de combustible desarrollada por William Grove. [10] La manera en que operaba su sistema fue la siguiente: inicialmente se sometió el sistema a un proceso de electrólisis, aplicando electricidad a una solución electrolítica de ácido sulfúrico y agua, mediante el cual obtuvo hidrógeno y oxígeno.

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LA TECNOLOGÍA DE CELDAS DE COMBUSTIBLE Y SU INTERFASE ELECTRÓNICA DE POTENCIA PARA APLICACIONES DOMÉSTICAS E INDUSTRIALES

Cuando se dejo de suministrar corriente eléctrica, el proceso de electrólisis se detuvo y el sistema se conectó a las terminales de unas celdas dispuestas en arreglo serie y el hidrogeno y oxígeno reaccionaron y el resultado fue la obtención de corriente eléctrica y agua. 1855. El científico francés Antonio Becquerel desarrolló un tipo de batería mezclando nitrato de potasio y platino en un recipiente e insertó una barra de carbón, después, procedió a medir la corriente eléctrica que circulaba cuando los cables hacían contacto con el recipiente y la barra de carbón. 1889. Ludwing Mond y Carl Langer profundizaron el trabajo de Grove al diseñar y desarrollar una batería alimentada por gas, la cual también llamaron celda de combustible. Como característica principal en sus celdas se emplearon diafragmas muy delgados de matrices no conductivas impregnadas de electrolito y “emparedadas” entre electrodos metálicos. La ventaja de este diseño fue que se obtuvieron corrientes de 2 amperes con voltajes bajísimos (del orden de 0.73 volts). Una de las desventajas más significativas fue el alto costo del platino y esto limitó el trabajo que tenían planeado a futuro. 1896. El Dr. William W. Jacques, un empresario de Boston, experimentó usando carbón como electrodos en su celda de combustible, estas nuevas celdas llegaron a ser una novedosa tecnología. La celda desarrollada por Jacques se componía de una barra central de carbón que actuaba como ánodo, el cual estaba contenido en un electrolito de hidróxido de potasio fundido entre 400°-500°C; para poder retener el electrolito fundido se usaron contenedores circulares de hierro, las paredes de dichos contenedores también cumplían funciones como catalizadores en el cátodo, el resultado obtenido fue un desempeño excelente de la celda. Jacques obtuvo densidades de corriente del orden de los 100 mA/cm2 por cada volt generado durante periodos prolongados de operación. Posteriormente experimentó con un sistema de 100 monoceldas cilíndricas, que se construyeron sobre la superficie de un horno plano de alta temperatura y demostró un buen funcionamiento durante un periodo de medio año; con este sistema se generaron alrededor de 1500 Watts. 1898. W. Nernst sugirió que el sistema de celda de combustible, se basara en una reacción tipo REDOX (oxidación-reducción), la cual puede tener más flexibilidad y más opciones de reactivos. 1930. Francois Bacon de la Universidad de Cambridge en Inglaterra, trabajó en C.C., su planteamiento fue usar sistemas alcalinos que no usaban metales nobles como catalizadores. En sus experimentos encontró que los electrodos elaborados de níquel eran buenos catalizadores de las reacciones electroquímicas del hidrógeno y oxígeno, y además encontró que el desempeño de la celda se mejoraba mediante el incremento en la presión de alimentación de los reactivos (realizo pruebas a 40 atmósferas). Para mantener una baja presión diferencial en celdas de gran diámetro se emplearon electrodos de doble porosidad. 1959. El doctor Harry Irigh de la compañía Allis-Chalmers en Milwaukee, Wisconsin, introdujo el primer tractor impulsado por celdas de tipo alcalino tal como se observa en la figura 1.3.

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CAPÍTULO 1. INTRODUCCION A LAS CELDAS DE COMBUSTIBLE.

Figura 1. 3. Tractor impulsado por una celda de combustible. [10] En la década de los 50, el profesor Posner de la Universidad de Florida, en los días previos al lanzamiento del Sputnik, diseñó un sistema de oxidación-reducción (en base al modelo de Nersnt), usando soluciones de bromuro de estaño. El sistema desarrollado por Posner no fue adecuado para los viajes espaciales de esa época por la dificultad del bombeo de las soluciones químicas en estado de gravedad cero.

1.3 Avances actuales. En el portal de Internet http://www.fuelcells.org se encuentra información sobre los últimos avances sobre la tecnología de C.C., hasta el presenta año. Aplicaciones en el transporte. Ballard [www.ballard.com] suministra sistemas basados en celdas de combustible a Australia y entrega autobuses impulsados por celdas de combustible a Londres: Ballard líder fabricante en C.C., proveerá tres de sus últimos desarrollos en sistemas basados en celdas de uso rudo a la compañía EvoBus para su integración en un autobús Citaro de la compañía Mercedes-Benz, e incorporarlos al sistema de transporte público en Australia. Así mismo entregará máquinas que operan a base de celdas de 205 kW de capacidad de generación para uso rudo y serán puestas en operación en la primera mitad del 2004 como parte de un programa de demostración en la ciudad de Londres.[62]

Figura 1.4 Autobús CITARO impulsado por celdas de combustible. La fuerza área de Estados Unidos prueba con éxito sus autobuses: Enova Systems [www.enovasystems.com] ha integrado exitosamente un sistema a base de C.C. que se incorporó a su primer vehículo híbrido en sus instalaciones en Honolulu, Hawai. [69] GVB opera su primer autobús impulsado por hidrógeno: GVB y el departamento de tránsito en Ámsterdam Holanda, comenzó a operar 4 autobuses impulsados por C.C., los autobuses extraen el hidrógeno de 9 tanques de agua dispuestos en el techo de los mismos, y cada uno es capaz de proveer el suficiente combustible para impulsar el autobús durante 250 Km, el costo de este proyecto que duró 2 años fue de 7 millones de euros ($8.6 millones de dólares) con fondos de la Unión Europea, el ministerio de transporte holandés y el ayuntamiento de Ámsterdam. También estuvieron involucrados la compañía Daimler-Chrysler, Hoek Loos, Nuon, Shell y la Agencia de energía y medio ambiente de Holanda. 5

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Energía estacionaria La Universidad de Yale realiza actividades de investigación sobre celdas de combustible: Fuel Cell Energy [www.fce.com], la fundación Energía Limpia de Connecticut y la Universidad de Yale están dedicando sus esfuerzos a instalar una planta de generación de energía eléctrica a base de C.C. de alta eficiencia en su centro de ciencia ambiental (ESC por sus siglas en inglés), que se encuentra cerca del museo Peabody de la Universidad de Yale. La celda de 250 kW, suministrará aproximadamente el 25% de la electricidad necesaria en el edificio y el calor generado por la celda será usado para mantener controlada la temperatura y los controles de humedad en la instalación.[70]. Energía de respaldo y portátil Astris lanza nuevo generador de celda de combustible: Astris Energy Inc.[www.astris.ca] lanzó al mercado su nuevo modelo E8 de C.C. tipo alcalina de 2.4 kW, la cual es una unidad portátil integrada que emplea una celda modelo POWERSTACK MC250, cuyo desempeño es del orden del 30% al 60% de eficiencia. Astris Energy planea colocar al POWERSTACK MC250 dentro de su producción piloto en su planta de Vlasim en la Republica checa en la primera mitad del 2004. [71]. Plug Power comienza envíos de productos. Plug Power [www.plugpower.com] ha enviado los primeros 15 sistemas de energía de respaldo GenCore™ 5T de 5kW, que se alimentan con hidrógeno a consumidores en los Estados Unidos de Norteamérica, Reino Unido y Japón para apoyar diversas aplicaciones como son: telecomunicaciones, industria, investigación y sectores del gobierno. [72] Combustibles / reformadores / almacenamiento. Nueva York contruye “Hydrogen HI WAY”. $2 millones de presupuesto federal se asignaron para arrancar el proyecto denominado “Hydrogen HI WAY” en el estado de Nueva York, el cual consiste en validar la infraestructura necesaria para la instalación de centrales de hidrógeno. [73]. Dynetek entrega sistemas de almacenamiento a FORD. Industrias Dynatek Ltd [www.dynatek.com], entregará sistemas de almacenamiento de hidrógeno a la compañía automotriz FORD, para sus autos impulsados por celdas. Dynetek proveerá todos los componentes y el sistema de almacenamiento de combustible.[74] Innovatek gana contrato con el Ejército de Estados Unidos. Innovatek [www.tekkie.com] Ha recibido $780,000 dólares por concepto de asignación de un contrato para desarrollar un nuevo procesador de combustible que genere hidrógeno para C.C. portátiles. La tecnología se basa en un diseño propietario de Innovatek, el cual consiste en una arquitectura de microcanal compacta que produce hidrógeno a partir de combustibles como la gasolina o el diesel.[75].

1.4 Definición de una celda de combustible. Existen muchas definiciones en la literatura especializada en C.C., pero se tomará la más común y la más sencilla de entender a manera de ejemplo. De acuerdo a Báez [11], una celda de combustible se puede definir como sigue:

“Una celda de combustible es un dispositivo electroquímico que transforma la energía química almacenada por un combustible, directamente en energía eléctrica y, lo que es más importante, de forma continua”. La estructura física básica de una celda de combustible se observa en la figura 1.5 y consiste en una capa de electrolito en contacto con un ánodo y un cátodo de naturaleza porosa.

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CAPÍTULO 1. INTRODUCCION A LAS CELDAS DE COMBUSTIBLE.

Figura 1.5 Esquema de una celda de combustible. [15] La celda de combustible es un dispositivo que se alimenta, en el ánodo, con un combustible (hidrógeno preferentemente) y en el cátodo, con oxígeno o aire. La reacción electroquímica global da como resultado la producción de agua y la generación de corriente eléctrica. Una representación más esquemática de la celda se observa en la figura 1.6, donde se muestran los flujos de los reactantes (hidrógeno y oxígeno) y la dirección de flujo de los iones que circulan por el electrolito. Aunque la celda de combustible tiene componentes y características similares a los de una batería, difieren en ciertos aspectos: mientras que una batería se considera como un dispositivo que almacena energía y que deja de suministrarla al consumirse los reactantes, la celda de combustible es un dispositivo que procesa energía y la entrega de manera continua mientras los reactivos sean suministrados a la celda.

Figura 1.6. Diagrama esquemático de una celda de combustible. [13] Considerando el caso de las baterías secundarias (aquellas que son recargables), los reactantes son regenerados en el proceso de recarga, lo cuál implica suministrar energía a la batería desde una fuente externa.

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1.5. Operación básica de una celda de combustible Desde el punto de vista analítico, es interesante conocer el principio de operación de la celda de combustible y conocer la dinámica que envuelve a este dispositivo. Tal y como se observa en la figura 1.6, la naturaleza de la transferencia de iones entre los diferentes tipos de celdas es diferente de acuerdo al tipo de electrolito y al tipo de combustible que se emplea, pero el caso más representativo es la celda de combustible de membrana de intercambio protónico sólido (PEMFC por sus siglas en inglés) cuyo funcionamiento básico se describe en los párrafos siguientes. La forma de operar es la siguiente: se tiene una celda electroquímica que consiste en dos electrodos, en ella se hace circular oxígeno sobre un electrodo (cátodo) y el hidrógeno sobre el otro (ánodo), para que se produzca una reacción electroquímica. La reacción electroquímica que sucede en el interior de la celda se lleva a cabo de la siguiente forma: una molécula de hidrógeno es ionizada por la pérdida de dos electrones y esto se debe a la oxidación de la molécula de hidrógeno en el ánodo, es decir, la formación de dos iones hidrógeno; al ocurrir esto, el hidrógeno oxidado, ahora en forma de protón, y los electrones, producto de la oxidación, toman diferentes caminos migrando hacia el cátodo. El hidrógeno lo hará a través del electrolito, mientras que los electrones lo hacen a través de un circuito externo. Por tanto, las reacciones parciales que ocurren en el proceso electroquímico en la celda, están dadas por las siguientes ecuaciones químicas:

2H 2

→

4 H + + 4e − .......................................(1.2)

Como se observa en la ecuación (1.2), el hidrógeno al descomponerse en iones de hidrógeno y en electrones, implica que se libere energía, mientras que en el cátodo el oxígeno reacciona con los electrones tomados del electrodo y con los iones de hidrógeno (H+ ) del electrolito para formar agua

O2 + 4e− + 4H+ → 2H2O .......................................(1.3) Así, este proceso produce agua 100% pura, corriente eléctrica y calor útil. Una animación del proceso se presenta en [78] A manera de conclusión de este proceso, se observa que en ambas reacciones para que sucedan continuamente, los electrones producidos en el ánodo deben de pasar a través de un circuito eléctrico al cátodo, en tanto que los iones H+ deben de pasar a través de un electrolito que no presente resistencia al flujo de los iones. Ciertos polímetros pueden ser hechos para contener iones H+ móviles, estos materiales son llamados membranas de intercambio protónico, las cuales ofrecen relativas ventajas en comparación con los electrolitos líquidos ya que éstas ofrecen un manejo sencillo y una alta conductividad.

1.6. Tipos de celdas de combustible. Una gran variedad de celdas están en etapa de desarrollo, y pueden ser clasificadas de acuerdo a diversas características como las siguientes: ¾ Por el tipo de uso. ¾ Por el tipo de combinación de combustible y oxidante. ¾ Por el tipo de procesamiento del combustible (interno o externo). ¾ Por el tipo de electrolito usado. ¾ Por la temperatura de operación. ¾ Por su potencia (alta, media, baja)

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CAPÍTULO 1. INTRODUCCION A LAS CELDAS DE COMBUSTIBLE.

Todas las clasificaciones anteriores son mostradas por algunos autores [14], sin embargo, la clasificación más generalizada es la relacionada con el tipo de electrolito usado. De acuerdo a la tabla 1.1, la clasificación es la siguiente: Tabla 1.1 Tipos de celdas de combustible. [14] Tipo de celda y tipo de electrolito usado Celda de combustible de electrolito polimérico Celda de combustible tipo alcalina Celda de combustible de ácido fosfórico Celda de combustible de carbonato fundido Celda de combustible de óxido sólido

Abreviatura

Electrolito empleado

Valor aproximado de temperatura de operación

PEMFC

Membrana de intercambio protónico

50°C - 80°C

AFC

Hidróxido de potasio

250°C

PAFC

Ácido fosfórico

220°C.

MCFC

Carbonato fundido (líquido)

650°C

SOFC

Cerámico

800°C – 1000°C

Cabe hacer mención que los electrolitos acuosos están limitados para operar hasta 200°C, esto debido a la presión del vapor de agua y a una rápida degradación a altas temperaturas. Hay dos características que impactan en las C.C. y son: temperatura de operación y tiempo de vida, las cuales influyen en el comportamiento de la celda y en las propiedades fisicoquímicas y termomecánicas de todos los materiales usados (electrodos, electrolitos, interconexiones, colectores de corriente). En lo que respecta a la temperatura de operación en una C.C , ésta se considera como uno de los parámetros de vital importancia, ya que repercute directamente en el tipo de combustible que puede emplearse, por ejemplo, en las celdas de baja temperatura con electrolitos acuosos, el combustible que predomina es el hidrógeno, en cambio en las celdas de alta temperatura existe más diversidad en el uso de combustibles, esto fundamentalmente se debe a que se pueden emplear debido a su inherente rapidez en la cinética de reacción y a una menor necesidad de actividad catalizadora en reacciones a altas temperaturas. En seguida se da una breve descripción de los diferentes tipos de C.C que existen y en donde se enlistan sus características más importantes. [14] C.C. de membrana de intercambio protónico (PEMFC por sus siglas en inglés). El electrolito en esta celda es una membrana de polífluoretileno sulfonado u otro polímero similar que es un excelente conductor de iones. El único líquido generado como producto de la reacción en la celda es agua, de tal modo que los problemas de corrosión son mínimos. Por otra parte, la cantidad de agua en la membrana es crítica para el desempeño eficiente de la celda y en consecuencia debe de operar bajo condiciones donde el agua no se evapore rápidamente para mantener hidratada la membrana el mayor tiempo posible. Debido a la limitación en la temperatura de operación impuesta por el tipo de polímero, usualmente menor de 120°C, y a raíz de los problemas con el balance de agua, es recomendable usar hidrógeno libre de impurezas como combustible. Es recomendable el uso de un buen catalizador con el objetivo de poder acelerar la cinética de reacción tanto en ánodo como en cátodo. La figura 1.7 muestra el esquema de este tipo de celda.

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Figura 1.7. Estructura de una celda de combustible de membrana de intercambio protónico (PEMFC por sus siglas en inglés) [79] C.C. tipo alcalina (AFC por sus siglas en inglés). Fue la primera celda en ser usada para una aplicación y fue en misiones espaciales de la NASA. Su tiempo de vida es de aproximadamente 15000 horas, el electrolito puede ser hidróxido de potasio en concentraciones que van desde 35% a 80% en peso. Su temperatura de operación en altas concentraciones de electrolito es de aproximadamente 250°C, y para concentraciones bajas es favorable tener temperaturas menores a 120°C. El electrolito es retenido en una matriz (usualmente elaborada de asbesto) y una amplia variedad de electrocatalizadores pueden ser usados, ejemplo de algunos de ellos: níquel, plata, óxidos metálicos y espinels (óxidos de magnesio y aluminio HgAl2O4 y otros óxidos minerales similares a la ferrita y metales nobles. El combustible que más favorece a esta celda es el hidrógeno, no es recomendable usar otro tipo de combustibles ya que no se garantiza un buen desempeño. La figura 1.8 permite ver la estructura de la celda.

Figura 1.8. Estructura de una celda de combustible alcalina. (AFC por sus siglas en inglés) [80]. C.C. de ácido fosfórico (PAFC por sus siglas en inglés). El ácido fosfórico concentrado al 100% es usado como electrolito en esta celda, opera en el intervalo de temperatura de 150°C a 220°C; a bajas temperaturas el ácido fosfórico es un pobre conductor de iones y el envenenamiento con monóxido de carbono en el electrocatalizador de plata llega a ser severo. La relativa estabilidad del ácido fosfórico concentrado es alta, comparado a otros ácidos comunes y consecuentemente la celda PAFC es capaz de operar a valores superiores de su temperatura de operación.

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CAPÍTULO 1. INTRODUCCION A LAS CELDAS DE COMBUSTIBLE.

En suma, el uso de ácido concentrado como electrolito en esta celda, minimiza la presión de vapor del agua, así que el manejo de agua no es difícil. La matriz que se emplea para retener el ácido es carburo de silicio y el catalizador es platino tanto en ánodo como en cátodo. La figura 1.9 muestra el esquema de la celda.

Figura 1.9 celda de combustible de ácido fosfórico (PAFC por sus siglas en inglés) [80] C.C. de carbonato fundido (MCFC por sus siglas en inglés). El electrolito en esta celda es usualmente una combinación de carbonatos alcalinos, los cuales son retenidos en una matriz cerámica de óxido de aluminio y litio. La celda opera en el intervalo de temperatura de 600 a 700°C, donde los carbonatos alcalinos forman una sal fundida altamente conductora. A temperaturas de operación altas es recomendable usar níquel en el ánodo, y óxido de níquel en el cátodo, estos componentes son adecuados para promover y acelerar la reacción. La figura 1.10 muestra la estructura básica de la celda.

Figura 1.10. Esquema de una celda de combustible de sales carbonatadas fundidas (MCFC por sus siglas en inglés) [80] C.C. de óxido sólido tubular (TSOFC por sus siglas en inglés). El electrolito que se usa en esta celda es óxido metálico no poroso, usualmente es trióxido de ítrio (Y2O3) estabilizado con bióxido de zirconio. La celda opera a 1000°C donde la conducción iónica se lleva a cabo por medio de iones oxígeno. Típicamente el ánodo contiene una aleación cerámica de dióxido de zirconio y cobalto (Co-ZrO2) o dióxido de zirconio y níquel (Ni-ZrO2) y el cátodo contiene Estroncio Sr-contaminado con LaMnO3 (trióxido de manganeso y lantano). 11

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En las celdas de baja temperatura (PEMFC, AFC, PAFC) los protones y iones hidroxilo son los portadores mayoritarios de carga en el electrolito, mientras que en las celdas de alta temperatura (MCFC y TSOFC) los iones carbonato y el oxígeno son los portadores de carga. La figura 1.11 muestra el esquema básico. C.C. de óxido sólido de temperatura intermedia (ITSOFC por sus siglas en inglés). Los materiales del electrodo y el electrolito en esta celda son básicamente los mismos que se usan en la celda de óxido sólido tubular (TSOFC), la celda ITSOFC opera a temperaturas bajas, opera en el intervalo de temperatura de los 600 °C a los 800°C. Por otro lado, para mejorar el desempeño de la celda se está desarrollando una tecnología de capa delgada para promover la conducción de iones. La figura 1.12 muestra el esquema básico de la celda TSOFC y de la celda ITSOFC.

Figura 1.11. Esquema de una celda de combustible de óxido sólido tubular (TSOFC por sus siglas en inglés) [81]

Figura 1.12. Esquema de una celda de combustible de óxido sólido (SOFC por sus siglas en inglés) [80]

1.7. Aspectos ambientales en las celdas de combustible. Como se ha venido mencionando anteriormente, una de las mayores ventajas en el uso de las celdas de combustible es el bajo nivel de emisiones contaminantes, siendo esto uno de los principales motivos por lo que se ha impulsado tanto su investigación como su desarrollo. Al utilizar hidrógeno como combustible, el único producto de la reacción electroquímica es vapor de agua y en consecuencia no se emiten contaminantes a la atmósfera, esta ventaja está siendo principalmente aprovechada por la industria automotriz en donde ya se han desarrollado “Vehículo Cero Emisiones”, los cuales han demostrado una significativa ventaja sobre los vehículos impulsados por hidrocarburos.

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CAPÍTULO 1. INTRODUCCION A LAS CELDAS DE COMBUSTIBLE.

Las celdas tienen flexibilidad en el empleo de combustibles y no solo el uso de hidrógeno sino también combustibles como el metanol o gasolinas reformadas, que estrictamente no se consideran como de cero emisiones, mas sin embargo han demostrado que sus emisiones de CO2 son significativamente menores que las de un motor de combustión interna y sólo existen trazas de otros contaminantes. Así mismo, en lo que respecta a la producción de hidrógeno para ser usado como combustible en celdas, es factible el empleo de energías renovables para su obtención, tal es el caso de la energía solar, la biomasa y no necesariamente mediante el proceso de electrólisis. Estos aspectos sumados a una mayor eficiencia en el uso de los combustibles, colocan a las C.C. como una de las más viables para ser el sistema de propulsión en los vehículos del futuro y la generación de energía y con ello disminuir los impactos negativos de estas actividades humanas. [19] La utilización de C.C., reduce sustancialmente las emisiones de CO2 por unidad de energía producida y prácticamente eliminan los problemas de producción de SO2 y NOx, por lo que las emisiones a la atmósfera no representan problema. A manera de ilustrar lo que se comenta anteriormente, la figura 1.13 muestra una gráfica comparativa de emisiones contaminantes entre los sistemas convencionales usando combustibles fósiles y un sistema de generación basado en C.C. para aplicaciones residenciales tipo [PC25]. La gráfica muestra las emisiones en libras por cada 1659 MWh que se generan y las emisiones de dióxido de carbono que se generan en un periodo de un año. [15]

Figura 1.13. Gráfica comparativa de emisiones entre una planta de generación usando combustibles fósiles y una planta a base de celdas de combustible tipo PC25. [15] Es claro observar en base a la figura anterior, que las C.C representan una potencial alternativa de generación de energía eléctrica que puede contribuir enormemente al ambiente. Desde el punto de vista de las diversas aplicaciones que existen en C.C, la que más ha tenido impacto es la industria del transporte, donde se han hecho avances notables y actualmente los fabricantes están desarrollando vehículos prototipos, inclusive se ha empezado con la comercialización de unidades impulsadas a base de celdas, más información al respecto se puede obtener de [informe sobre los beneficios de las C.C.] La tabla 1.2 ilustra el potencial de las C.C. para reducir las emisiones; para este propósito emplea como punto base de comparación, un vehículo con una máquina de combustión interna donde se usa gasolina y

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LA TECNOLOGÍA DE CELDAS DE COMBUSTIBLE Y SU INTERFASE ELECTRÓNICA DE POTENCIA PARA APLICACIONES DOMÉSTICAS E INDUSTRIALES

se observa que los vehículos impulsados por C.C. emiten hasta el 100% menos, tomando como base los criterios de emisiones en motores a gasolina. [16] Tabla 1.2. Tabla comparativa de emisiones contaminantes entre diversos tipos de vehículos. [16] CRITERIOS DE EMISIONES CONTAMINANTES Gases de efecto invernadero

Tipo de vehículo

Gases orgánicos (no metanos)

Monóxido de carbono (CO)

Óxidos de nitrógeno (NOX)

Óxidos de azufre (SOX)

Partículas

Línea base: máquina de combustión interna impulsada por gasolina (gramos por kilómetro)

0.48

3.81

0.28

0.035

0.01

282.5

Vehículo eléctrico (usando baterías)

-95%

-99%

-56%

+321%

+153%

-37%

Vehículo eléctrico a base de celdas de combustible (usando hidrógeno)

-100%

-100%

-100%

-100%

-100%

-65%

Vehículo eléctrico a base de celdas de combustible (usando hidrógeno comprimido obtenido por vía solar)

-100%

-100%

-100%

-100%

-100%

-94%

Vehículo eléctrico de baterías o celdas de combustible (alimentado por hidrógeno obtenido de la energía solar)

-100%

-100%

-100%

-100%

-100%

-100%

1.8. Conclusiones de capítulo. El capítulo mostró el crecimiento que han tenido las C.C. a lo largo de su historia, es claro entender que no se trata de una tecnología de reciente descubrimiento, su investigación y desarrollo tienen un avance importante y actualmente es posible ver diversos usos que van desde las aplicaciones portátiles hasta aplicaciones industriales, donde la celda ha demostrado tener una ventaja significativa sobre otras tecnologías convencionales de generación de energía. Hay que tener en cuenta que no se trata de una tecnología que venga a sustituir a los hidrocarburos por completo, pero si representa una seria alternativa de una transición hacia el uso de formas alternativas de generación de energía basadas en recursos renovables. La situación internacional muestra avances importantes, algunas compañías automotrices inclusive han lanzado a la venta las primeras unidades impulsadas por hidrógeno que reducirán las emisiones contaminantes de una manera significativa. Por otro lado en las aplicaciones portátiles también se están desarrollando avances, algunas compañías de equipo de cómputo han diseñado las primeras baterías para computadoras portátiles, cuyo tiempo de alimentación rebasa las 40 horas continuas, lo que sin duda es una gran avance en el desarrollo de baterías que brinden una mejor respuesta y un mayor tiempo de vida de los dispositivos. 14

CAPÍTULO 1. INTRODUCCION A LAS CELDAS DE COMBUSTIBLE.

La infraestructura necesaria para el crecimiento de las celdas es cara actualmente, se espera que en un lapso no mayor de 5 años se empiece a tener un acceso más factible a esta forma de generación. Algunas barreras que impiden un pleno desarrollo son: a. Uso de materiales caros (electrocatalizadores, tipos de electrolitos), b. Es una tecnología que empieza a crecer (no ha penetrado completamente al mercado, c. Es necesario investigar sobre diversas formas de procesamiento y almacenamiento de hidrógeno (que en la actualidad resulta muy caro).

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LA TECNOLOGÍA DE CELDAS DE COMBUSTIBLE Y SU INTERFASE ELECTRÓNICA DE POTENCIA PARA APLICACIONES DOMÉSTICAS E INDUSTRIALES

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CAPÍTULO 2. CARACTERISTICAS DE OPERACIÓN DE LA CELDA DE COMBUSTIBLE.

CAPÍTULO 2 CARACTERÍSTICAS DE OPERACIÓN DE LA CELDA DE COMBUSTIBLE.

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l objetivo del capítulo es mostrar y analizar las características físicas y operativas de las C.C. De manera inicial se describen los componentes de un sistema basado en C.C., posteriormente se mencionan las propiedades de las celdas electroquímicas y sus aplicaciones. La C.C. es un dispositivo electroquímico que procesa energía y en este capitulo se desglosan los fundamentos termodinámicos que rigen su principio de operación y se explica el funcionamiento de celda en base a sus potenciales generados. Términos como: Potencial por activación, Energía libre de Gibbs y otros son explicados a detalle, pretendiendo con ello proporcionar la información necesaria para entender la naturaleza de las energías y los procesos químicos que envuelven a la C.C. Las variables que afectan el desempeño de la C.C. es otro tema que se trata y se muestran algunos trabajos desarrollados al respecto. Para finalizar se hace una comparación entre la celda de combustible y otros dispositivos que manejan energía, tal es el caso de las baterías, básicamente se trata de una comparación a nivel operativo ya que ambas funcionan bajo el mismo principio electroquímico y es interesante conocer las ventajas de usar celdas o baterías dependiendo del tipo de aplicación. 17

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2.1. Los sistemas basados en celdas de combustible. Los sistemas basados en celdas de combustible pueden tener diversas configuraciones y varían de acuerdo a las características de operación de cada tipo de celda y parámetros como temperatura, capacidad de generación y tipo de aplicación. En la figura 2.1 se presenta un esquema general de un sistema basado en C.C., en donde se identifican los siguientes elementos característicos: ¾ ¾ ¾ ¾

Reformador. Sistema de purificación de gas. Celda de combustible. Acondicionador de energía.

Figura 2.1 Diagrama a bloques de un sistema basado en celda de combustible.[29] La función de cada uno de estos bloques es la siguiente: El reformador es la primera etapa por donde ingresa el combustible (hidrocarburos como gas natural o metano) y se produce un gas altamente rico en hidrógeno denominado "reformado", el cual se obtiene mediante una transformación química, el producto de la transformación es hidrógeno puro y monóxido de carbono. El contenido de monóxido de carbono que posee el gas reformado se reduce a niveles aceptables menores a 50 ppm. El diagrama muestra un sistema donde la reformación se lleva a cabo de manera externa; en algunos tipos de celda por su temperatura de operación es necesario procesar externamente el combustible para obtener hidrógeno, esta condición se aplica a las celdas de baja temperatura que usan combustibles como el metano ó etanol y donde la celda no puede llevar a cabo el proceso de reformación internamente. Lo contrario sucede con las C.C. de alta temperatura, donde la cantidad de calor que se genera es suficiente para reformar el combustible internamente. Las celdas que no usan este proceso externo son: MCFC, ITSOFC, TSOFC. El sistema purificador de gas tiene la función de eliminar las impurezas o gases diferentes al hidrógeno generados en el reformador, y así el gas hidrógeno llegue en un estado lo más puro posible a la C.C. La celda de combustible es la etapa encargada de generar la energía eléctrica mediante la reacción electroquímica del hidrógeno y del oxígeno. Además, se obtiene calor que puede ser aprovechado para alimentar turbinas en régimen de cogeneración o para incrementar la cinética de las reacciones producidas en la celda.

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CAPÍTULO 2. CARACTERISTICAS DE OPERACIÓN DE LA CELDA DE COMBUSTIBLE.

El sistema de acondicionamiento de energía, toma la corriente continua que se genera en la C.C. y la procesa a corriente directa regulada para ser usada en alguna aplicación. El sistema se compone de un convertidor de corriente directa a corriente directa (CD/CD) que regula la tensión que se genera en la celda. Algunas etapas acondicionadoras incluyen un convertidor de corriente directa (CD) a corriente alterna (CA) ó inversor como también se le llama. Así mismo, se usan sistemas de respaldo, baterías o supercapacitores, con el objetivo de ayudar a la celda a proporcionar el nivel de tensión requerido.

2.2. Celdas electroquímicas y sus aplicaciones. Las celdas electroquímicas se usan principalmente para: convertir la energía química en eléctrica y convertir la energía eléctrica en química. En las pilas secas comunes y en el acumulador de plomo se tienen convertidores de energía química a eléctrica, mientras que en la carga de la batería de almacenamiento y en la purificación electrolítica del cobre se utiliza la energía eléctrica para realizar una acción química. Es importante señalar una distinción entre los términos celda y batería. Por un lado la celda es un dispositivo simple de dos electrodos y electrolito capaz de generar electricidad por la acción química dentro de la celda o de producir una acción química por el paso de la electricidad, en pocas palabras, es un dispositivo que procesa la energía. Una batería, por otra parte, es una combinación de dos o más celdas dispuestas en serie o en paralelo. Por ejemplo, el acumulador de plomo es una batería constituida por un arreglo de celdas en serie en donde el número de celdas depende del voltaje nominal de la batería, en las baterías de 12 Volts se requieren 6 celdas, y fundamenta su funcionamiento en base a los reactivos químicos que están dentro de la misma, por tanto es un dispositivo que almacena energía. Al tratar con las relaciones de energía en las celdas, los principios termodinámicos encuentran una aplicación muy extensa. Sin embargo, el uso de estos principios se encuentra sometido a una restricción muy importante, esto es, son aplicables a procesos reversibles (definición disponible en esta liga:[termodinámica]). Se tiene en cuenta que las condiciones de reversibilidad termodinámica son: a)

Las fuerzas motrices y de oposición se diferencian infinitesimalmente entre sí

b)

Debe de ser posible invertir cualquier cambio por aplicación de una fuerza infinitesimalmente mayor que la que está actuando.

Satisfechos estos dos requisitos, la celda es reversible y la diferencia de potencial medido bajo condiciones adecuadas, puede reemplazarse por las ecuaciones termodinámicas fundamentales. Si las condiciones anteriores no se satisfacen, la celda es irreversible y las consideraciones anteriores no aplican. Las aplicaciones en las celdas electroquímicas están difundiéndose rápidamente como una manera alternativa para generar energía eléctrica. En la actualidad existen aplicaciones desde computadoras portátiles, teléfonos celulares, sistemas de medición de alcohol en la sangre, etc., hasta aplicaciones estacionarias como lo son sistemas de alimentación de respaldo en casas, sistemas de alimentación en edificios, aplicaciones en transporte y aplicaciones en generación de energía eléctrica. La tabla 2.1 muestra un resumen de los usos actuales de las celdas de combustible.

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LA TECNOLOGÍA DE CELDAS DE COMBUSTIBLE Y SU INTERFASE ELECTRÓNICA DE POTENCIA PARA APLICACIONES DOMÉSTICAS E INDUSTRIALES

Tabla 2.1 Principales usos y estado actual de las celdas de combustible. [11] TIPO DE CELDA

USOS PRINCIPALES •

PEMFC

• •

AFC

GRADO DE DESARROLLO ACTUAL

Transporte terrestre vehicular (mayor aplicación) Potencia estacionaria residencial y comercial (reciente). Carga para equipos portátiles

• • •

Espacio (naves espaciales) Militar (submarinos). Transporte terrestre vehicular (menos aplicación).

•

Transporte terrestre vehicular (incipiente). Potencia estacionaria (residencia y comercial) combinación de calor y potencia.

PAFC

•

MCFC

•

Potencia estacionaria y comercial (combinación de potencia y calor).

• • •

Prueba pre-comercial. Prototipo de vehículos (0.1 – 50 kW.). Prueba pre-comercial para generación de potencia estacionaria (250 kW.).

• •

Programas espaciales (comercial). Etapa pre-comercial (<< de 100 kW.).

• •

Disponible comercialmente (200 kW.). Prototipo planta (hasta 1100 kW.).

•

Prueba de campo (200 a 2000 kW.).

•

Laboratorio y campo (100kW).

• • SOFC

Potencia estacionaria comercial. Potencia estacionaria comercial e industrial (combinación de potencia y calor). • Transporte terrestre vehicular. (en desarrollo). • Transporte terrestre (trenes)

2.3. Formas de apilamiento de la celda de combustible. La celda de combustible tiene la característica de entregar un voltaje de corriente directa de baja magnitud, esto significa que para producir un voltaje que pueda ser usado en alguna aplicación, se tiene que disponer de una cantidad considerable de celdas conectadas en serie. Una monocelda produce una tensión de aproximadamente 0.7 volts en condiciones estándar de operación y puede incrementarse si se añaden más celdas conectadas en serie [1]. A la forma de disponer las celdas en serie se le denomina “stack” (término en inglés que significa apilamiento). La figura 2.2 ilustra un apilamiento típico en serie, que consiste en conectar la terminal del ánodo al cátodo y ese mismo cátodo se conecta al ánodo de la siguiente celda. La principal desventaja de este método es que los electrones tienen que fluir a través de la superficie del electrodo hacia un punto colector de corriente que se encuentra en la parte superior, por tanto los electrodos deben de ofrecer la menor resistencia posible al flujo de electrones.

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CAPÍTULO 2. CARACTERISTICAS DE OPERACIÓN DE LA CELDA DE COMBUSTIBLE.

Figura 2.2. Conexión simple de tres celdas en serie [1]. Una mejora en el apilamiento de celdas en serie se muestra en la figura 2.3 donde se utilizan los platos bipolares, mediante los cuales se hacen las conexiones sobre una superficie que actúa como ánodo y otra como cátodo de la celda (de aquí que se le llama bipolar), al mismo tiempo el plato bipolar sirve como un excelente medio para la alimentación del oxígeno al cátodo y del combustible (hidrógeno) al ánodo. Hay que tomar en cuenta que debe existir una buena conexión eléctrica entre los dos electrodos pero también el hidrógeno y oxígeno que se alimentan a la celda deben de estar estrictamente separados. El arreglo bipolar tiene la particularidad de que el flujo de la corriente y la distribución del combustible y el oxigeno es más eficiente. La corriente es colectada en la parte superior de la superficie del electrodo, y no tan solo en las puntas. Los electrodos están soportados mucho más firmemente y toda la estructura es más fuerte y más robusta, sin embargo la principal desventaja del diseño bipolar es que no es sencillo de construir. Idealmente el plato bipolar debe ser lo más delgado que se pueda para minimizar la resistencia eléctrica y así reducir el tamaño del apilamiento.

Figura 2.3. Estructura tipo plato bipolar en la celda de combustible. [1] Estos tipos de configuraciones contienen elementos adicionales que garantizan un mejor desempeño en el funcionamiento de la celda, y son descritos usando el esquema básico que se bosqueja de una celda de tipo PAFC (ácido fosfórico).

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LA TECNOLOGÍA DE CELDAS DE COMBUSTIBLE Y SU INTERFASE ELECTRÓNICA DE POTENCIA PARA APLICACIONES DOMÉSTICAS E INDUSTRIALES

La figura 2.4 ilustra una configuración de placa plana, la interconexión forma una placa separadora la cual tiene dos propósitos: la primera es proveer una conexión eléctrica en serie entre las celdas adyacentes, específicamente para celdas de placa plana y la segunda es proveer de una barrera para que el gas combustible quede separado del oxidante de las celdas adyacentes.

Figura 2.4. Vista expandida de una unidad de celda de combustible [1] Para el caso de la celda de combustible tipo tubular, se considera un caso especial, todas las interconexiones deben de tener un conductor eléctrico y ser impermeables a gases. [60] Otras partes importantes de esta configuración son: ¾ Las estructuras cuya función es la distribución de los gases reactivos a través de la superficie del electrodo y la cual sirve de soporte mecánico. ¾ Depósitos de electrolito, para reponer el electrolito que se pierde en la celda. ¾ Colectores de corriente (que no se muestran en la figura), y que proveen una ruta para la circulación de corriente entre los electrodos y una separación de las placas de la celda.

2.4. Ventajas y desventajas operativas de las celdas de combustible. Las celdas de combustible poseen ventajas que les permiten ser competitivas frente a otras tecnologías para la generación de electricidad, debido a sus características relacionadas con su alta eficiencia y bajos niveles de contaminación, pero existen otras ventajas adicionales y se mencionan a continuación: ¾ Simplicidad en su construcción. La parte esencial de las C.C es simple y requiere de muy pocas partes móviles, lo que conduce a sistemas confiables y duraderos. ¾ No generan ruido. Las celdas no generan niveles de ruido considerable. Esto es muy importante en aplicaciones portátiles y en la generación de energía local en esquemas de ciclos combinados. ¾ Algunos sistemas comerciales de generación a base de C.C presentan eficiencias del 40% al 55%, basado en un poder calorífico inferior LHV.[14] ¾ En los sistemas híbridos que combinan turbinas de gas y C.C. se obtienen eficiencias mayores del 70% muy por encima de los sistemas basados en máquinas de combustión interna. [14] Algunos equipos comerciales han sido evaluados con el objeto de elaborar estudios comparativos entre los sistemas basados en celdas y otros sistemas comerciales generadores de energía que se basan en la combustión de hidrocarburos. 22

CAPÍTULO 2. CARACTERISTICAS DE OPERACIÓN DE LA CELDA DE COMBUSTIBLE.

Los resultados que se muestran a continuación, referidos a los niveles de contaminantes generados, fueron obtenidos de un sistema comercial a base de celdas de combustible del tipo ácido fosfórico. ¾ <1 ppm de NOx. ¾ 4 ppm de monóxido de carbono ¾ <1 ppm de gases orgánicos reactivos. Los resultados arriba mostrados se compararon con requerimientos que emite la Agencia de la Calidad del Aire en la Costa Sur del Estado de California (South Coast Air Quality Management District,), los datos del estudio están disponibles en la referencia [61]. En adición, las C.C. operan casi a una eficiencia constante independientemente del tamaño que tengan, esto quiere decir que la eficiencia se conserva tanto para una planta de gran tamaño como para una celda individual. El uso flexible de combustible es otro de los atributos de las C.C. en esencia el combustible principal es el hidrógeno, pero también es posible usar otros combustibles tales como metano, etano, etanol, gasolinas los cuales pasan por un proceso de reformación, para finalmente obtener hidrógeno. Cabe hacer notar que la presencia del azufre no es tolerada por las celdas en general y que las C.C. ITSOFC y TSOFC tienen flexibilidad en el uso de la mayoría de los combustibles al igual que la celda tipo MCFC. Por otra parte el monóxido de carbono no es adecuado para emplearse en las celdas de temperatura baja, pero se utiliza como combustible en las de alta temperatura (SOFC, MCFC). El monóxido de carbono puede no reaccionar electroquímicamente dentro de la celda, pero se entiende que el CO se consume en la reacción entre el agua y el gas, por lo que se forma hidrógeno el cual se consume en la celda. 2.4.1 Ventajas y desventajas generales. Las celdas de combustible tienen desventajas, las cuales impiden su expansión, entre las cuales están: ¾ Alto costo inicial. ¾ Introducción en el mercado comercial muy lenta. ¾ El manejo, almacenamiento y distribución de hidrógeno. Sin embargo las ventajas que ofrecen las C.C. son múltiples: ¾ ¾ ¾ ¾ ¾ ¾ ¾ ¾ ¾ ¾

Conversión directa de energía química en eléctrica No hay partes móviles en el convertidor de energía Son dispositivos silenciosos Demostración de alta estabilidad en unidades de baja temperatura. Disponibilidad de colocación. Flexibilidad en el combustible Buen desempeño en operación a carga constante Operación de estos dispositivos en lugares remotos Flexibilidad en el tamaño Baja emisión de contaminantes en comparación con sistemas de generación de energía que usan combustibles fósiles.

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LA TECNOLOGÍA DE CELDAS DE COMBUSTIBLE Y SU INTERFASE ELECTRÓNICA DE POTENCIA PARA APLICACIONES DOMÉSTICAS E INDUSTRIALES

2.4.2. Ventajas y desventajas entre las diferentes celdas de combustible de acuerdo a su régimen de operación. Las celdas consideran diferentes tipos de regímenes de operación, esto como resultado de los materiales con que están construidas, las técnicas de fabricación y los requerimientos de sistema que difieren en cada tipo de celda. Estas diferencias que se enlistan a continuación, resultan en ventajas y desventajas individuales que gobiernan la capacidad y el potencial para ser usadas en diferentes aplicaciones. PEMFC. La característica principal de esta celda es que tiene electrolito sólido, y por ello exhibe una excelente resistencia al cruce y fuga de gas, la celda opera a baja temperatura, típicamente 80°C, esto resulta en llevar a la celda a su punto de temperatura de operación rápidamente, pero el calor que genera no puede ser usado para propósitos de cogeneración. Algunas pruebas realizadas por investigadores demuestran que la celda puede operar a altas densidades de corriente comparadas con otras, sin embargo el manejo del calor y agua generados limitan su operación. La celda PEMFC tiene tolerancia al CO (monóxido de carbono) en bajos niveles de partes por millón (ppm). [14] AFC. Entre los atributos mayores de esta celda están su excelente desempeño, debido a que la reacción en el cátodo es rápida, y a su flexibilidad para usarse con diversos electrocatalizadores, un atributo que facilita su desarrollo. Uno de los requerimientos para un buen desempeño de esta celda es que el hidrógeno que se use como combustible esté en estado puro ya que el monóxido de carbono presente en cualquier combustible reformado reacciona con el electrolito de hidróxido de potasio para formar carbonatos y con ello se reduce la movilidad de los iones en el electrolito. Aunque una pequeña cantidad de CO2, aproximadamente 360 ppm, está presente en el ambiente, el flujo de aire a la celda debe de ser tratado para eliminar o reducir al mínimo la concentración de dióxido de carbono. Sin embargo, investigaciones realizadas determinaron que la purificación del aire para eliminar el monóxido de carbono no es muy efectiva debido a su alto costo, por esto la aplicación de esta celda podría estar limitada a aplicaciones especiales tales como ambientes cerrados. [14] PAFC. El monóxido de carbono que está presente en el combustible reformado que fluye en la celda y el aire, no reacciona con el electrolito en esta celda, pero se comporta como un diluyente, esta característica junto con una baja temperatura de operación la hacen una excelente candidata para aplicaciones terrestres como sistemas transporte, sistemas de generación de energía. Aunque el desempeño de la celda es bajo, debido a que en el cátodo se lleva a cabo una reacción a baja velocidad, la celda puede acepta con hidrocarburos como combustibles. La necesidad de eliminar el monóxido de carbono para purificar el aire también se descarta. El calor que se genera debido a las reacciones en la celda es de calidad para ser usado en propósitos de cogeneración en sistemas que operen con turbinas de vapor, de hecho, un punto clave de aplicación para estas celdas es expandirla a aplicaciones de cogeneración para alcanzar mejores eficiencias. [14] La celda de ácido fosfórico alcanza valores de eficiencia eléctrica del orden del 37% al 42% y están en el extremo más bajo de eficiencias que se pueden alcanzar en celdas que se emplean en plantas de generación de energía.

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CAPÍTULO 2. CARACTERISTICAS DE OPERACIÓN DE LA CELDA DE COMBUSTIBLE.

El combustible tiene que ser reformado externamente lo que implica un impacto en la eficiencia general. El monóxido de carbono tiene que ser eliminado mediante una reacción de gas-agua por debajo del 3% al 5% del volumen ó esto afectara al catalizador. Estas limitaciones han provocado el desarrollo de celdas alternativas de alta temperatura. MCFC. Las desventajas que se presentan tanto en las celdas de alta temperatura, así como en las de baja temperatura pueden ser atenuadas con la celda tipo MCFC, esto debido a su alta temperatura de operación, 650°C , lo cual resulta en muchos beneficios, entre los cuales está que la celda puede ser construida de hojas metálicas disponibles, lo que se traduce en reducción de costos de fabricación en el ensamble de la celda. Otras ventajas de esta celda son: la reacción electroquímica ocurre con la ayuda de un catalizador de níquel; la reformación del combustible puede ocurrir dentro de la celda, esto resulta en una alta ganancia en la eficiencia, además de que el monóxido de carbono puede ser considerado como combustible para usarse en la celda directamente. Esta celda puede operar eficientemente con combustibles conteniendo dióxido de carbono, como gases derivados de biocombustibles y el calor que genera la celda se puede aplicar para manejar turbinas de gas o producir vapor de alta presión para propósitos de usarlo en sistemas de cogeneración. Una de sus mayores desventajas es que el electrolito es corrosivo y móvil. La tolerancia al azufre es controlada mediante un catalizador reformado y es baja. La operación de la celda requiere el uso de acero inoxidable como material del cuerpo de la celda. Las altas temperaturas provocan problemas en los materiales, particularmente estabilidad mecánica lo que impacta en el tiempo de vida de la celda. [14] ITSOFC. La celda de óxido sólido de temperatura intermedia, 600-800°C, combina una serie de características disponibles en la tecnología de C.C. Entre sus ventajas están: uso de componentes cerámicos en los electrodos y electrolitos que absorben variaciones bruscas de temperatura; no se acumulan depósitos de carbón, por consiguiente esta celda puede aceptar hidrocarburos y monóxido de carbono en el combustible. La reformación interna de combustibles es práctica a temperaturas por encima de los 650°C, además, el uso de materiales cerámicos previene fenómenos de corrosión inherentes a las celdas de electrolito líquido. La reducción de temperatura de la celda permite su construcción a base de acero inoxidable, y representa costos reducidos en manufactura. Las desventajas de este tipo de celdas son: la conductividad en el electrolito es baja y su cinética de reacción en el electrodo disminuye a bajas temperaturas. La tecnología actual se ha enfocado en el desarrollo de capas delgadas de electrolito y también en la búsqueda de materiales alternativos para su fabricación. [14] TSOFC. Sus ventajas son: su sólida construcción cerámica evita los problemas de corrosión característicos en las celdas con electrolito líquido, tiene la ventaja de ser impenetrable al cruce de gas de un electrodo a otro, la ausencia de líquido también elimina el problema de movimiento del electrolito o la inundación del líquido en los electrodos, por otra parte la velocidad de reacción de la celda es alta y el monóxido de carbono no le afecta. A temperaturas de operación normal de 1000°C, el combustible puede ser reformado dentro de la celda. Y el calor que se genera en la celda se aprovecha para precalentar el aire que entra en la celda. Sin embargo, la alta temperatura en la celda tiene sus inconvenientes, existe incompatibilidad en la expansión térmica entre los materiales y el sellado entre las celdas es difícil en la configuración de placas 25

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planas. Por otra parte, la alta temperatura presenta severas restricciones en la selección de los materiales y como resultado de ello, existe complejidad en los procesos de fabricación. Este tipo de celda exhibe una alta resistividad eléctrica en el electrolito, lo cual resulta en un pobre desempeño en comparación con la celda tipo MCFC por aproximadamente 100 mV. [14]

2.5. El desempeño ideal de la celda. El desempeño ideal de una celda de combustible está definido por su potencial de Nernst (ENERNST), el cual es el potencial a circuito abierto, es decir sin carga asociada [13] La ecuación de Nernst provee una relación entre el potencial ideal (E0) para la reacción de la celda y el potencial ideal de equilibrio (E) a otras temperaturas y presiones parciales de los reactivos y productos. [13]. Una vez que el potencial ideal a condiciones estándar es determinado, el voltaje ideal puede ser calculado a otros valores de temperatura y presión a través de la ecuación de Nernst. De acuerdo a esta ecuación, para una reacción usando hidrógeno como combustible, el potencial ideal de la celda a condiciones estándar de temperatura y presión y el potencial ideal a otra temperatura, pueden ser incrementados mediante la manipulación de las presiones de los reactivos, y con ello el desempeño de la celda. La tabla 2.2 ilustra las reacciones globales de acuerdo al tipo de celda. Tabla 2.2 Reacciones electroquímicas en las celdas de combustible. [13] CELDA DE COMBUSTIBLE

REACCIÓN EN EL ÁNODO

REACCIÓN EN EL CÁTODO

PEMFC

H 2 → 2 H + + 2e −

PAFC

H 2 + 2 (OH ) → 2 H 2 O + 2 e −

1 O2 + 2H + + 2e − → H 2O 2 1 O2 + H 2 O + 2 e − → 2(OH ) − 2

MCFC

H 2 + CO3= → H 2 O + CO 2 + 2e −

1 O2 + CO2 + 2 e − → CO3= 2

SOFC, TSOFC, ITSOFC

H 2 + O = → H 2O + 2 e −

1 O2 + 2 e − → O = 2

−

Donde: CO monóxido de carbono Dióxido de Carbono CO2 = CO3 Ion Carbonato eElectrón H+ Ion Hidrógeno Hidrógeno (molecular) H2 H2O Agua O2 Oxígeno (molecular) Las reacciones mostradas en la tabla anterior muestran las reacciones en cada electrodo, en el caso de las celdas MCFC, SOFC, TSOFC, ITSOFC se presentan otras alternativas de reacciones en el ánodo, debido a la flexibilidad de usar combustibles como el metano y dióxido de carbono.

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CAPÍTULO 2. CARACTERISTICAS DE OPERACIÓN DE LA CELDA DE COMBUSTIBLE.

Cuando un combustible impuro está presente en la reacción anódica se produce CO2. En el caso de las C.C. de sales carbonatadas (MCFC) el CO2 se requiere en la reacción del cátodo para mantener una concentración invariante de carbonato en el electrolito. Debido a que en las celdas MCFC el CO2 es producido en el ánodo y consumido en el cátodo y a que las concentraciones en las corrientes de alimentación del ánodo y cátodo no son necesariamente iguales, las presiones parciales de CO2 están presentes en las ecuaciones de Nernst y se muestran en la tabla 2.3. [13] Tabla 2.3. Reacciones de las C.C. con su correspondiente ecuación de Nernst. [13] Tipo de celda

Reacción global en la celda de combustible *

Ecuación de Nernst asociada

PEMFC, PAFC

1 H 2 + O2 → H 2 O 2

1 ⎛ RT ⎞ ⎡ PH 2 ⎤ ⎛ RT ⎞ ⎡ 2 ⎤ E NERNST = E 0 + ⎜ ⎟ ln ⎢ ⎟ ln ⎢ PO2 ⎥ ⎥ +⎜ ⎝ 2 F ⎠ ⎣⎢ PH 2O ⎦⎥ ⎝ 2 F ⎠ ⎣⎢ ⎦⎥

AFC

1 H 2 + O2 + CO2( C ) → H 2 O + CO2( a ) 2

MCFC

1 CO + O 2 → CO 2 2

SOFC,TSOF C,ITSOFC

CH 4 + 2O2 → 2H 2 O + CO2

PH 2 ⎛ RT ⎞ ⎡ E NERNST = E 0 + ⎜ ⎟ ln ⎢ ⎝ 2 F ⎠ ⎢⎣ PH 2O PCO2

(

⎤ ⎛ RT ⎞ ⎡ 1 ⎥+⎜ ⎟ ln ⎢ PO2 PCO2 ⎥ ⎝ 2F ⎠ ⎣ 2 (a) ⎦

(

)

)(

⎤ C) ⎥ ⎦

1 ⎛ RT ⎞ ⎡ PCO ⎤ ⎛ RT ⎞ ⎡ 2 ⎤ + ln P ENERNST = E 0 + ⎜ ⎟ ln ⎢ ⎜ ⎟ ⎥ ⎢ O2 ⎥ ⎝ 2 F ⎠ ⎣⎢ PCO2 ⎦⎥ ⎝ 2 F ⎠ ⎣⎢ ⎦⎥

⎛ RT ⎞ ⎡ PCH 4 E NERNST = E 0 + ⎜ ⎟ ln ⎢ 2 ⎝ 8 F ⎠ ⎢⎣ PH 2O PCO2

(

⎤ ⎛ RT ⎞ 2 ⎟ ln PO2 ⎥+⎜ ⎥⎦ ⎝ 8 F ⎠

)

[ ]

Donde: (a) ánodo (b) Cátodo E0 Potencial de equilibrio (es la FEM de la celda a presión estándar) F Constante de Faraday P Presión parcial del gas R Constante universal de los gases T Temperatura absoluta Nota: (*) indica que las reacciones de la celda de combustible del ánodo y cátodo son obtenidas de la tabla 2.3

( ) 0

El potencial entre los electrodos definido como E se define como “la medida cuantitativa del máximo potencial de la celda, en este caso voltaje a circuito abierto” [1]. y se define por la siguiente fórmula:

E

0

=

-∆ g 2F

f

...................................................(2.1)

Donde:

∆g F

f

= Cambio en la energía libre de Gibbs de formación. = Constante de Faraday. (La carga presente en un mol de electrones).

El signo negativo en la ecuación indica que se trata de pérdida de energía. El valor estándar del potencial ideal E 0 para una celda, en la cual reaccionan H2 y O2 es de 1.229 Volts con agua en estado líquido como producto, o 1.18 volts con agua en estado gaseoso. Este valor es 27

LA TECNOLOGÍA DE CELDAS DE COMBUSTIBLE Y SU INTERFASE ELECTRÓNICA DE POTENCIA PARA APLICACIONES DOMÉSTICAS E INDUSTRIALES

mostrado en la mayoría de la literatura especializada en el tema como el potencial de oxidación del hidrógeno [1]. El potencial de la celda básicamente representa el cambio en la energía libre de Gibbs, resultante de la reacción del hidrógeno y del oxígeno. La diferencia entre los valores de 1.229 y 1.18 volts es debida a la diferencia de energía entre los estados físicos del agua, equivalente al calor latente de vaporización en condiciones estándar. En la figura 2.5 se ilustra la relación que guarda el potencial ideal E 0 con la temperatura de operación de la celda, y muestra el potencial de las celdas a alta temperatura y corresponde a la reacción donde el agua está en estado gaseoso, entonces el valor del potencial a condiciones estándar es de 1.18 volts.

Figura 2.5. Potencial ideal en una celda de combustible en función de la temperatura. [13] El impacto de la temperatura en el potencial ideal E 0 por la oxidación del hidrógeno es también mostrado en la tabla 2.4 para varios tipos de celdas, en cada caso se asume productos gaseosos como base. Tabla 2.4 Voltaje ideal en las celdas de acuerdo a su temperatura de operación. [13] 25°C 80°C 220°C 250°C 650°C 1000°C Temperatura (298 K) (353 K) (493 K) (523 K) (923 K) (1273 K) Tipo de celda PEMFC PEMFC PAFC AFC MCFC TSOFC de combustible Voltaje ideal

1.18

1.17

1.15

1.14

1.03

0.91

El desempeño ideal de una celda de combustible depende de las reacciones electroquímicas que ocurren entre los diferentes combustibles y el oxígeno tal y como lo muestra la tabla 2.3. Las celdas de baja temperatura (PEMFC, AFC, PAFC) requieren electrocatalizadores de metales nobles para alcanzar velocidades de reacción adecuadas en el ánodo y cátodo y en la mayoría de los casos se usa hidrógeno como combustible. En las celdas de alta temperatura (MCFC y TSOFC) los requerimientos de catalización son más flexibles y el número de combustibles potencialmente aptos se expande. El desempeño de la celda es afectado por variables operacionales como temperatura, presión, composición de los gases, densidad de corriente y factores como impurezas, tiempo de vida de la celda que influyen en el potencial ideal y en la magnitud de las caídas de potencial. Las condiciones de funcionamiento en un sistema con C.C. se basan en definir requisitos específicos tales como: Nivel de la energía requerida, voltaje, capacidad de generación.

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CAPÍTULO 2. CARACTERISTICAS DE OPERACIÓN DE LA CELDA DE COMBUSTIBLE.

La gráfica de la figura 2.6 es de gran utilidad, en ella se puede ilustrar como seleccionar el punto de operación en una celda que se implemente para una aplicación específica.

Figura 2.6. Flexibilidad de los puntos de operación de acuerdo a las variables que la afectan. [13] Una interpretación de esta gráfica se puede dar con el siguiente ejemplo: Para seleccionar diversos puntos de operación para la aplicación de C.C en un sistema, se varían los parámetros de operación de la celda, temperatura y presión, obteniendo un impacto benéfico o perjudicial en el comportamiento de la celda o de otros componentes del sistema. Los cambios en las condiciones de operación pueden disminuir el costo de la celda, pero incrementar el costo del sistema circundante. Es cuestión de seleccionar el punto de operación de una celda, tensión de celda y densidad de corriente relacionada, hasta que se satisfacen las condiciones del sistema como costo mas bajo, unidad más ligera, densidad de potencia más alta. Por ejemplo, un punto de diseño con una densidad de corriente elevada permitirá un tamaño de celda menor y menor costo de capital, pero da como resultado una eficiencia más baja del sistema a causa de la tensión de celda más baja con un correspondiente costo de operación más alto. Este punto de operación podría ser adecuado, por ejemplo, para vehículos donde el peso ligero, pequeño volumen además de la eficiencia son aspectos importantes para minimizar el costo global. Densidades de corriente menores, pero mayor tensión, es decir mayor eficiencia y menor costo de operación podrían ser más adecuados para el desempeño de plantas estacionarias. Operando a mayor presión aumentará el rendimiento de la celda disminuyendo los costos, sin embargo, se tendrá un mayor consumo de energía, esto añade costos. Podría parecer lógico diseñar la celda para desempeñarse a máxima densidad de potencia, que se alcanza con una elevada densidad de corriente, pero operar en este punto, significará operar a tensiones de celda más bajas o menores eficiencias. Fijar la operación en el punto más alto de densidad de potencia puede causar inestabilidad en el control, porque el sistema tendería a oscilar.

2.6. La energía electroquímica de la celda de combustible. El comportamiento ideal de una celda de combustible viene caracterizado por su potencial de Nernst, que está representado como la fuerza electromotriz de la celda. Otro parámetro relacionado con el comportamiento es la eficiencia de la C.C., y se define como la relación entre la tensión de la celda en operación y su tensión ideal. Con este objetivo se utilizan modelos termodinámicos que describen el funcionamiento de la celda según las diversas condiciones de operación: temperatura, presión, componentes de los gases entre otras.

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LA TECNOLOGÍA DE CELDAS DE COMBUSTIBLE Y SU INTERFASE ELECTRÓNICA DE POTENCIA PARA APLICACIONES DOMÉSTICAS E INDUSTRIALES

Los siguientes párrafos muestra la fundamentación del procesamiento de energía en la celda. 2.6.1. El procesamiento de energía en la celda de combustible Hidrogeno “Energía”

Celda de combustible (Energía Libre de Gibbs)

Electricidad = V* I * t Calor Agua

Oxigeno “Energía”

Figura 2.7. Esquema de entradas y salidas en el procesamiento de energía en una celda de combustible [1]. En el diagrama a bloques de la figura 2.7 se indican los componentes que intervienen en el procesamiento de energía en la C.C., en la entrada se observan los dos reactivos que actúan (hidrógeno y oxígeno) y que serán procesados en el interior de la C.C. A un nivel sencillo se puede decir que se trata de procesar la energía química del hidrógeno y del oxígeno para producir electricidad, el problema es que la energía química no está sencillamente definida, por ello se ha recurrido a las ecuaciones termodinámicas que permiten visualizar de una manera más clara todos estos conceptos. 2.6.1.1 Determinación del potencial y trabajo eléctrico en la celda Para determinar el potencial que se genera en la celda de combustible, hay que tomar en cuenta las definiciones básicas de potencia, trabajo eléctrico y energía. Las siguientes formulas muestran la relación que guardan las ecuaciones con el procesamiento de la energía que se lleva a cabo dentro de la celda. La potencia eléctrica y la energía de salida se pueden calcular fácilmente de las siguientes relaciones ya conocidas:

Potencia = VI ............................................................... (2.2)

Energia = VIt ............................................................... (2.3)

Donde: V = Voltaje, Volts. I = Corriente, amperes t = Tiempo, segundos Sin embargo, la energía química de las entradas químicas y la salida no está fácilmente definida. A continuación se enlistan los conceptos termodinámicos que se aplican a las celdas de combustible. 2.6.1.2. La energía libre de Gibbs Cualquier energía que un sistema pierda deberá ser ganada por el entorno y viceversa. Todo esto es conocido como primera ley de la termodinámica, que también se denomina ley de la conservación de la energía. [17] Esta Ley la podemos expresar como el cambio de energía interna U de un sistema en cualquier proceso, y es igual al calor q agregado al sistema más el trabajo hecho sobre el sistema por su entorno. 30

CAPÍTULO 2. CARACTERISTICAS DE OPERACIÓN DE LA CELDA DE COMBUSTIBLE.

En la naturaleza los procesos espontáneos ocurren siempre en una misma en una misma dirección: de un potencial alto a un potencial bajo y están acompañados por un incremento de la entropía del universo. La segunda ley de la termodinámica sintetiza lo anterior como “Un proceso siempre ocurre en la dirección que cause un incremento en la entropía del universo”. A partir de esta Ley, es posible definir dos nuevas funciones de estado que dependen exclusivamente de las propiedades del sistema y establecer nuevos criterios de espontaneidad para un proceso. Estas dos nuevas funciones de estado son la energía libre de Gibbs [86] y la energía libre de Helmholtz [87], las cuales se relacionan con la cantidad de trabajo que puede realizar un sistema. La energía libre de Gibbs puede ser definida como “la energía disponible para hacer un trabajo externo, despreciando cualquier trabajo hecho por los cambios en presión y volumen”. En una celda de combustible el “trabajo externo” se traduce en movimientos de electrones alrededor de un circuito externo, cualquier trabajo hecho por un cambio en volumen entre la salida y la entrada, no es aprovechado por la celda de combustible [1]. Para una celda de hidrógeno ordinaria operando a temperatura y presión estándar, significa que su energía libre de Gibbs de formación de entrada es cero. La función de Gibbs de un sistema está definida en términos de la entropía y la entalpía, en términos sencillos la entropía cual se define como “La magnitud termodinámica que mide la parte de la energía que no puede utilizarse para producir un trabajo. En un sentido más amplio se interpreta como la medida del desorden de un sistema” [82] En tanto que la entalpía molar de formación, es “el contenido calorífico de un sistema” [17]. La entalpía de un sistema es una función de estado y no depende de la historia del sistema, sino sólo de su condición actual. Por tanto la energía libre de Gibbs de un sistema está definida en términos de la entropía y la entalpía y se define por la ecuación: G = H − TS ..........................................................(2.4)

Para hacer comparaciones más sencillas, es conveniente considerar estas cantidades en forma molar, estas cantidades se indican por medio de un guión alto sobre una letra minúscula, por ejemplo g f que

()

( )H 2O

es la cantidad específica molar de energía libre de Gibbs de formación para el agua. Por tanto, la energía libre de Gibbs molar de formación, la entalpía molar de formación y la entropía molar de formación se relacionan de la siguiente manera:

g f = h f − T s ....................................................(2.5) En este caso, el cambio en la energía es importante. En una C.C. la temperatura es una constante, entonces se puede decir que la energía libre de Gibbs se define como: ∆g f = ∆h f − T∆s ................................................(2.6)

Considerando la reacción global de la celda de combustible de hidrógeno: 1 H 2 + O2 → H 2 O ................................................(2.7) 2 31

LA TECNOLOGÍA DE CELDAS DE COMBUSTIBLE Y SU INTERFASE ELECTRÓNICA DE POTENCIA PARA APLICACIONES DOMÉSTICAS E INDUSTRIALES

Las entradas son un mol de hidrógeno H2 y media mol de O2 y el producto obtenido es un mol de agua, de forma general entonces se puede definir que:

∆g f = g f de productos - g f

de reactivos............................. (2.8)

De esta forma tenemos que:

( )H 2O − (g f )H 2 − 12 (g f )O2 ....................................... (2.9)

∆g f = g f

A simple vista se puede decir que esta ecuación es simple de deducir, sin embargo la energía libre de Gibbs de formación no es constante, y cambia con la temperatura y el estado físico del agua. Si no existen pérdidas en la celda de combustible o más propiamente dicho, si el proceso es reversible, entonces toda la energía libre de Gibbs es convertida en energía eléctrica, en la práctica alguna de esta energía se libera en forma de calor. Esta simplificación se usa para encontrar el voltaje reversible a circuito abierto de una celda de combustible. 2.6.2. El voltaje generado por una celda. La operación básica de una celda de combustible que se trató en el capítulo 1 (ver sección 1.4), se puede resumir como sigue: para la celda de hidrógeno, dos moles de electrones pasan alrededor de un circuito externo por cada mol de agua producida y cada mol de hidrógeno usado, así que, para un mol de hidrógeno usando 2N electrones circulan por el circuito externo (Donde N es el numero de Avogadro). Si –e- es la carga en un electrón, entonces la carga que fluye en la celda está definida por: -2N e = -2F Coulombs ....................................................... (2.10) Donde F es la constante de Faraday, o la carga en un mol de electrones. Si E se define como el voltaje de una celda de combustible, entonces el trabajo eléctrico realizado por el movimiento de cargas alrededor de este circuito es: Trabajo eléctrico hecho = carga X voltaje = -2 F E Joules............................... (2.11) Ahora bien, si el sistema es reversible (sin pérdidas) el trabajo eléctrico realizado será igual a la energía libre de Gibbs liberada ∆ g f . Así que: ∆ g f = −2 FE ...........................................................(2.12)

Por tanto: E=

− ∆g f

...........................................................(2.13) 2F Esta ecuación define la fuerza electromotriz o el voltaje de circuito abierto de la celda de combustible de hidrógeno. Por ejemplo, una C.C. alimentada con hidrógeno y operando a una temperatura de 200°C tiene ∆ g f = −220kJ /mol y la constante de Faraday que equivale 96485 Coulombs, por tanto el voltaje a circuito abierto en la celda será:

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CAPÍTULO 2. CARACTERISTICAS DE OPERACIÓN DE LA CELDA DE COMBUSTIBLE.

E=

220000 J / mol = 1.14 volts ................(2.14) 2 ∗ (96485 Coulombs)

2.6.3. Eficiencia en celdas de combustible. Antes de explicar cómo se obtiene la eficiencia en una celda de combustible, hay dos aspectos relacionados con la eficiencia que conviene resaltar: ¾ La incorporación de una C.C. en régimen de cogeneración, le permite competir con otras formas de generación de energía y obtener altas eficiencias del orden del 80% al 85% y producir energía eléctrica de calidad comercial. ¾ Las cuestiones que surgen cuando se compara la eficiencia de una C.C. con la eficiencia de una máquina térmica. Sobre este segundo punto, es interesante observar que la característica tensión/carga (curva característica de la celda de combustible) favorece a la C.C. al compararla con otras tecnologías de conversión de energía. La C.C. aumenta su eficiencia en condiciones de carga parcial, aunque hay problemas como el de corrosión que pueden limitar su capacidad de operación de carga parcial. Otros componentes del sistema operan con eficiencias individuales menores cuando la carga del sistema se reduce. La combinación de aumento de eficiencia de la celda y una menor eficiencia de componentes secundarios, pueden dar como resultado una eficiencia total del sistema sensiblemente constante cuando se reduce la carga. Otras técnicas de conversión de energía suelen experimentar una perdida de eficiencia cuando se reduce la carga. Esta pérdida, junto con las mismas pérdidas de eficiencia de componentes secundarios que experimenta el sistema de celdas, causa eficiencias totales más bajas cuando se reduce la carga. Esto da al sistema de C.C. una ventaja en cuanto al costo de operación en aplicaciones donde la operación a carga parcial es importante. [18]. La figura 2.8 muestra la eficiencia en términos de aprovechamiento de combustible para cada una de las siguientes celdas. Eficiencia del combustible (en términos de aprovechamiento de combustible) ITSOFC 45%

PAFC 40% PEMFC 45%

MCFC 75% AFC 40%

SOFC 50%

Figura 2.8. Eficiencia de las celdas de combustible de acuerdo al aprovechamiento de combustible. 2.6.3.1. Eficiencia ideal y real de una celda de combustible. La eficiencia térmica de un aparato de conversión energética se define como el cociente de la cantidad de energía útil producida y el cambio de energía química almacenada (comúnmente denominada energía térmica) y que se produce cuando un combustible reacciona con un oxidante.

ηR =

Energía útil ....................................................(2.15) ∆H

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LA TECNOLOGIA DE CELDAS DE COMBUSTIBLE Y SU INTERFASE ELECTRONICA DE POTENCIA PARA APLICACIONES DOMESTICAS E INDUSTRIALES

En el caso ideal de un convertidor electroquímico, como el de una C.C., el cambio en la entalpía ∆G de la reacción es aprovechable como energía eléctrica útil a una temperatura de la conversión. La eficiencia ideal de una celda de combustible, operando reversiblemente, es entonces: ηI =

∆G ........................................................ (2.16) ∆H

La eficiencia más utilizada de una C.C. está basada en el cambio de entalpía derivada de la combustión del hidrógeno en oxígeno y donde se tiene como producto de la reacción agua en estado líquido, como se indica en la ecuación 2.9. En condiciones normales, es decir a 25ºC (298 K) y 1 atm de presión, la energía calorífica del sistema (∆H) en la reacción tiene un valor de –286 kJ/mol y es denominado como HHV (higher heating value). El máximo cambio de energía libre de Gibbs o fuerza electromotriz a condiciones estándar en una celda hidrógeno es de ∆G= -237.2 kJ/mol, por tanto, la eficiencia termodinámica de una celda de combustible ideal operando reversiblemente con hidrógeno y oxígeno puros en condiciones estándar es eficiencia =

∆G − 273.2 kJ / mol = = 0.83 ................................... (2.17) ∆H − 286 kJ / mol

La eficiencia real de una C.C., se puede expresar como la relación entre la tensión de la celda en operación a su tensión ideal. La tensión real de la celda es menor que la tensión ideal debido a las pérdidas asociadas con las polarizaciones de activación, óhmicas y de concentración de la celda. [18] ηR =

Energía útil Potencia útil Tensiónreal × corriente .............................................(2.18) = = ∆ G ∆H Tensiónideal × corriente / 0.83 ⎛ ⎞ ⎜ ⎟ ⎝ 0.83 ⎠

La eficiencia real en una C.C. se puede expresar finalmente como:

ηR =

0.83 × V real ....................................................... (2.19) Videal

La tensión ideal de una celda reversible con hidrógeno y oxígeno puros a 1 atm de presión y 25 ºC es: 1.229 V. Por lo tanto, la eficiencia térmica de una celda real funcionando a tensión de Vcelda, basado en el poder calorífico superior del hidrógeno, está dada por:

η = 0.83 ×

Vcelda 0.83 × Vcelda = = 0.675 × Vcelda .......................... (2.20) Videal 1.229

Una C.C. puede operar a diferentes densidades de corriente (expresadas en A/cm2). La tensión de celda correspondiente determina entonces la eficiencia de la celda, una disminución en la densidad de corriente aumentaría la tensión de salida de la celda y de ese modo se incrementa la eficiencia de la celda. Si se reduce la densidad de corriente, el área de celda activa se debe aumentar para obtener la potencia requerida. Por lo tanto, al elevar la eficiencia de la celda, el costo de capital aumenta, pero disminuye el costo de operación.

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CAPÍTULO 2. CARACTERISTICAS DE OPERACIÓN DE LA CELDA DE COMBUSTIBLE.

2.7. La Curva de operación de la celda de combustible. En los párrafos anteriores se explicó la naturaleza de la energía que se maneja en las celdas, ahora, se explica el perfil característico de respuesta de una celda. Como se observa en la figura 2.9, existen tres regiones principales de operación y en cada una de ellas se tienen pérdidas asociadas, y son las siguientes: Sobrepotencial por activación. Está referido a las pérdidas de voltaje que se tienen a causa de la lentitud de las reacciones que se llevan a cabo en la superficie de los electrodos. Una parte del voltaje generado se pierde en impulsar la transferencia de electrones hacia o de los electrodos. Esta caída de voltaje es altamente no lineal. [1] Sobrepotencial por polarización óhmica. Esta región se caracteriza por tener pérdidas de carácter resistivo relacionadas con el flujo de electrones a través del material de los electrodos y varias interconexiones, así como a la resistencia al flujo de iones a través del electrolito. Se considera la zona óptima de operación de la celda, donde se desea mantenerla funcionando. Sobrepotencial de polarización por concentración. En esta región se presentan pérdidas por el cambio en la concentración de los reactantes en la superficie de los electrodos. no es recomendable esta zona de operación puesto que el voltaje cae a valores muy bajos con densidades de corriente muy altas.

Figura 2.9. Perfil característico (voltaje-densidad de corriente) en una celda de combustible [1]. Los puntos claves para poder interpretar la gráfica anterior son: ¾ Al arranque, el voltaje a circuito abierto es menor que el valor teórico. ¾ Al arranque existe una caída inicial rápida, no lineal, en voltaje. ¾ En la zona de operación el voltaje cae más lentamente y de manera mucho más lineal. ¾ En la zona límite de operación existe a veces una alta densidad de corriente a la cual el voltaje cae más rápidamente. Si una C.C. es operada a una temperatura elevada, el perfil de la gráfica de voltaje / densidad de corriente, cambia. Este perfil es obtenido con valores en estado estable, es decir, cada punto es graficado después de que la C.C. alcanzó su estado estable.

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LA TECNOLOGIA DE CELDAS DE COMBUSTIBLE Y SU INTERFASE ELECTRONICA DE POTENCIA PARA APLICACIONES DOMESTICAS E INDUSTRIALES

Se han llevado a cabo diversos estudios [1],[20] y formas de deducir la ecuación del voltaje generado por la celda de combustible, además de simulaciones para obtener la gráfica. La ecuación general que determina el voltaje generado por la celda de combustible esta dada por:

VFC = E NERNST − V ACT − Vohmic − Vcon ................................ (2.21) En donde: VFC es el voltaje a circuito abierto de la celda de combustible ENERNST es el potencial termodinámico de la celda y representa su voltaje reversible en balance termodinámico. VACT es sobrepotencial de activación. VOHMIC es la caída de voltaje óhmico, sobrepotencial óhmico. VCON representa la caída de voltaje que resulta de la concentración o transporte de masas de oxígeno e hidrógeno (sobrepotencial de concentración). El primer término en la ecuación 2.21 representa la operación de la C.C. a circuito abierto sin carga asociada a ella, mientras que los tres últimos términos representan las pérdidas debido a la dinámica de la celda. A continuación se explica la derivación de cada uno de los términos y sus parámetros típicos. Es importante comentar que existe información disponible (en libros e Internet) sobre la formulación electroquímica en la C.C. [1], [13], [14], [20], [21],[27]. 2.7.1. El voltaje reversible de la celda o potencial de Nernst. El voltaje reversible de la celda (ENERNST) es el potencial de la celda obtenido en circuito abierto en balance termodinámico, la expresión que determina este potencial y que toma en cuenta los cambios en presión y temperatura es: E NERNST =

Donde: ∆G = F= ∆S = R=

∗ ∗ ∆G ∆S (T − T ref ) + RT ⎡⎢ln(PH 2 ) + 1 ln⎛⎜ PO 2 ⎞⎟⎤⎥ ........................................(2.22) + 2F 2F 2F ⎣ 2 ⎝ ⎠⎦

es el cambio en la energía libre de Gibbs, J/mol. es la constante de Faraday, 96,487 C. es el cambio en la entropía, J/K mol. es la constante universal de los gases, 8.314 J/mol K.

∗

(PH 2 ) , ⎛⎜ PO 2 ⎞⎟

son las presiones parciales (atm) del hidrógeno y oxígeno respectivamente.

T= Tref=

es la temperatura de operación de la celda, K es la temperatura de referencia, K.

∗

⎝

⎠

Usando valores asociados para el modelo electroquímico de la celda de combustible PEMFC, es posible simplificar la expresión del potencial de Nernst de la ecuación 2.22 a:

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CAPÍTULO 2. CARACTERISTICAS DE OPERACIÓN DE LA CELDA DE COMBUSTIBLE. ∗ 1 ⎛ ∗ ⎞⎤ ⎡ E NERNST = 1.229 − 0.85 * 10 −3 (T − 298.15 ) + 4.31 ∗ 10 −5 T ⎢ln(PH 2 ) + ln⎜ PO 2 ⎟⎥ .................(2.23) 2 ⎝ ⎠⎦ ⎣

Entonces el voltaje de Nernst es obtenido en base a cambios en la energía libre Gibbs, a los cambios que hay en la temperatura de la reacción y a los cambios de presión parcial que se presentan en la interfase electrodo-electrolito. 2.7.2. Sobrepotencial de activación. En las celdas de baja y media temperatura, el sobrepotencial de activación representa la irreversibilidad más importante y la causa de la caída en el voltaje de la celda y ocurre principalmente en el cátodo. El sobrepotencial de activación en los electrodos es un parámetro importante a tomar en cuenta. En celdas de combustible de alta temperatura el sobrepotencial de activación pierde importancia [1] El potencial de activación incluyendo ánodo y cátodo [1] puede ser calculado mediante: ⎡ ⎤ ⎛ • ⎞ V ACT = − ⎢ξ 1 + ξ 2 ∗ T + ξ 3 ∗ T ∗ ln⎜ CO2 ⎟ + ξ 4 ∗ T ∗ ln(i )⎥ ................ (2.24) ⎝ ⎠ ⎣ ⎦

En donde: i ⎛ • ⎞ ⎜⎜ CO ⎟⎟ 2 ⎝ ⎠

ξ´

=

= =

es la corriente de operación de la celda, (A). es la concentración de oxígeno en la interfase catalítica del cátodo, (mol/cm3) representan los coeficientes paramétricos de cada modelo de la celda, estos valores son puestos en ecuaciones teóricas con fundamentos termodinámicos y electroquímicos.

2.7.3. Sobrepotencial óhmico. Para calcular el sobrepotencial óhmico se toman en cuenta la resistencia en los electrodos, la resistencia en los colectores de corriente, así como también la resistencia en la membrana. Por ello, se calcula primeramente la resistencia equivalente de la membrana, RM , mediante la siguiente fórmula:

RM = Donde: ρM = A= l=

ρM ∗l A

.......................................................... (2.25)

es la resistividad específica de la membrana para el flujo de electrones (Ω.cm). es el área activa de la celda (cm2). es el espesor de la membrana (cm).

La ecuación anterior permite conocer la resistencia interna en la membrana. En particular, en este tipo de celda PEMFC se utiliza el Nafion®, cuyas características se proporcionan en la siguiente liga: membrana Nafion, siendo esta tecnología propiedad de Dupont. Para ejemplificar mejor el cálculo de la resistencia en la membrana, en la tabla 2.5 se muestran los parámetros que Dupont proporciona para este tipo de membrana:

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LA TECNOLOGIA DE CELDAS DE COMBUSTIBLE Y SU INTERFASE ELECTRONICA DE POTENCIA PARA APLICACIONES DOMESTICAS E INDUSTRIALES

Tabla 2.5. Propiedades físicas del Nafion. TIPO DE CELDA N-112 NE-1135 N-115 N-117

ESPESOR TIPICO (MICRONES) 51 89 127 183

PESO TIPICO (g/m2) 100 190 250 360

NE-1110

254

500

Y con estos parámetros podemos expresar una ecuación que permite conocer la resistividad específica de la membrana: ρM = 181.6

2 ⎡ ⎡i ⎤ ⎡ T ⎤ ⎢1 + 0.03 ⎢ ⎥ + 0.062 ⎢ ⎥ ⎣ A⎦ ⎣ 303 ⎦ ⎣⎢

⎡i ⎤ ⋅⎢ ⎥ ⎣ A⎦

2.5

⎤ ⎥ ⎦⎥

................................ (2.26)

⎡ ⎡ ⎡T − 303 ⎤ ⎤ ⎡ i ⎤⎤ ⎢ λ − 0.634 − 3 ⎢ A ⎥ ⎥ exp⎢4.18 ⎢ T ⎥⎥ ⎣ ⎦⎦ ⎣ ⎦⎦ ⎣ ⎣

Donde la expresión 181.6/(λ-0.634) es la resistividad especifica dada en (Ω ⋅ cm) a cero corriente y a una temperatura de 30°C., El término exponencial en el denominador es el factor de corrección de la temperatura en caso de que la celda no esté a los 30°C y donde el término T es el valor absoluto de temperatura en grados Kelvin. El término λ es un parámetro ajustable que puede tener hasta un valor de 23; este valor está relacionado con la estequiometría del aire y el hidrógeno en la celda. Y obteniendo el valor de la ecuación 2.26, se está en condiciones de obtener el sobrepotencial óhmico mediante la siguiente expresión.

VOHMIC = i ∗ RM ....................................................... (2.27) En la expresión se nota que las pérdidas resistivas están asociadas a la densidad de corriente que se presenta en los electrodos. 2.7.4. Sobrepotencial por concentración o transporte de masas. Si el oxígeno en el cátodo de una celda es alimentado a partir del aire atmosférico, es evidente que durante la operación de la celda de combustible habrá una ligera reducción en la concentración de oxígeno en la región del electrodo, asociada con un cambio en la presión parcial del oxígeno y dependerá de la cantidad de la corriente eléctrica y de las características del sistema. Similarmente, eso sucederá en el ánodo con el hidrógeno que se alimenta a la C.C.; se tendrá una ligera reducción en la concentración debido a la corriente que se toma de la celda. El efecto de esta reducción en la presión o la presión parcial se puede considerar en la ecuación 2.22 dando por consecuencia un cambio en el voltaje de circuito abierto debido al cambio en la presión de los reactivos. El cambio en voltaje causado solo por hidrógeno es: ∆V =

RT ⎛ P2 ⎞ ....................................................... (2.28) ln⎜ ⎟ 2 F ⎜⎝ P1 ⎟⎠

El cambio en la presión causado por el uso del gas combustible puede ser estimado como sigue: se considera un límite de densidad de corriente i, a la cual el combustible tiene su máximo flujo de alimentación hacia la celda, entonces, la densidad de corriente no puede exceder este valor debido a que la celda no puede ser alimentada a una mayor velocidad de flujo, a esta densidad de corriente, la presión apenas habrá alcanzado el cero, si P1 es la presión cuando la densidad de corriente es cero y se asume que

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CAPÍTULO 2. CARACTERISTICAS DE OPERACIÓN DE LA CELDA DE COMBUSTIBLE.

la presión cae linealmente a cero a una densidad de corriente i1, entonces, la presión P2 a cualquier densidad de corriente i esta dada por la formula: ⎛ i⎞ P2 = P1 ⎜⎜1 − ⎟⎟ .......................................................... (2.29) ⎝ i1 ⎠

Sustituyendo en 2.30 a 2.29 tenemos que: ∆V =

RT ⎛ i⎞ ln⎜⎜1 − ⎟⎟ ................................................. (2.30) 2 F ⎝ i1 ⎠

Por tanto, esto da un cambio en el voltaje debido a las pérdidas por transporte de masas, entonces la ecuación que caracteriza esta pérdida esta dada por la siguiente expresión: ∆V = −

RT ⎛ i⎞ ln⎜⎜1 − ⎟⎟ .............................................. (2.31) 2 F ⎝ i1 ⎠

Donde el término RT está dado para diferentes reactivos, por ejemplo, para el oxígeno sería RT , entonces 2F

4F

podemos decir que de manera general la expresión 2.31 puede ser expresada como: ⎛ i⎞ ∆V = − B ln ⎜⎜1 − ⎟⎟ ..................................................... (2.32) i ⎝ 1 ⎠

Donde B es la constante que depende de la celda de combustible y su estado de operación. [1]

2.8. La dinámica de operación de la celda de combustible. El comportamiento de la C.C. es un fenómeno que desde el punto de vista analítico es importante cubrir, los estudios hechos por diversos autores [22] , indican que la celda puede ser evaluada en dos regímenes de operación: estático y dinámico. Dentro del régimen estático se considera a la curva de respuesta de la celda de combustible (ver figura 2.9) cuyos valores se obtienen después de que la celda alcanzó un estado estable. Otra de las variables consideradas como operación en régimen estático son los cambios en el voltaje de salida de la celda con respecto a los cambios en temperatura. Dentro del régimen dinámico se consideran otros dos comportamientos, uno es el efecto capacitivo que tiene la celda de combustible, y el otro es el tiempo que le toma a la celda en alcanzar un valor estable de temperatura de operación para poder operar de manera adecuada y que se denomina “arranque en frío”. Estos dos perfiles de comportamiento serán cubiertos a continuación. 2.8.1. Factores que afectan el desempeño de la celda. Las celdas disminuyen notablemente la generación de potencial a medida que se requiere de ellas una mayor densidad de corriente. Es decir que para obtener una mayor eficiencia se debe tener una C.C. de mayor tamaño al requerido. Se estima que el punto de máxima eficiencia se encuentra en el 75% de la carga nominal de la celda.[23]

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LA TECNOLOGIA DE CELDAS DE COMBUSTIBLE Y SU INTERFASE ELECTRONICA DE POTENCIA PARA APLICACIONES DOMESTICAS E INDUSTRIALES

Los problemas de la C.C. desde el punto de vista operativo son importantes, uno de los más significativos es que el voltaje, de nivel de CD, el cual no está regulado a causa de algunos factores como son: variación en la presión de alimentación del combustible y del oxígeno, cambios en temperatura, variación en las velocidades de reacción, demandas súbitas de corriente en los electrodos. Los factores más importantes que afectan al desempeño de una celda son la temperatura de operación, la presión y la velocidad de reacción. En las siguientes gráficas (curvas de respuesta de la celda) se muestran los efectos de los parámetros antes mencionados y representan la respuesta en voltaje ante cambios en temperatura y presión. 2.8.1.1. El efecto de la presión Una fuente ideal debe de mantener un nivel de voltaje constante en todo su rango de corriente a plena carga. En una C.C. esto no sucede así, ya que pérdidas por resistencia además de cambios en la velocidad de reacción, ocurren cuando más corriente fluye. La figura 2.10 indica que mientras la presión de aire suministrado a la celda se incremente, el desempeño de la celda se mejora. Sin embargo, el mejoramiento no es lineal. La opción de operar a bajas presiones requiere una consideración en el impacto en la eficiencia del sistema. [24]

La razón de esto es que la velocidad de la reacción electroquímica es proporcional a las presiones parciales del hidrógeno y del oxígeno, por tanto, el efecto en el incremento de la presión es más prominente cuando se usa un oxidante libre impurezas. En esencia, altas presiones ayudan a forzar a que el hidrógeno y el oxígeno entren en contacto con el electrodo; esta sensibilidad a la presión es grande a altas corrientes. [24] 2.8.1.2. El efecto de la temperatura. El mismo efecto sucede con la temperatura, el desempeño de la C.C. mejora cuando se incrementa la temperatura de operación y decae ante una disminución de ésta. La razón de esto es que al operar a temperaturas altas se mejora la transferencia de masas dentro de la celda y resulta en una disminución en la resistencia de la celda, como la temperatura se incrementa, entonces la conductividad electrónica en los metales disminuye pero la conductividad iónica en el electrolito aumenta, todos estos efectos antes mencionados en general mejoran la velocidad de reacción. La figura 2.11 muestra la respuesta en voltaje a la variación de temperaturas de operación en las C.C.

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CAPÍTULO 2. CARACTERISTICAS DE OPERACIÓN DE LA CELDA DE COMBUSTIBLE.

Figura 2.11. Gráfica de respuesta de voltaje ante temperaturas de operación en diversas celdas de combustible. [13] La gráfica anterior muestra que las celdas tipo PEMFC, PAFC y MCFC muestran una fuerte y positiva dependencia de la temperatura, el voltaje de salida de estas celdas se incrementa con un incremento en la temperatura , sin embargo, la celda tipo PEMFC, exhibe un máximo voltaje operacional de salida, en el caso de las celdas tipo MCFC y SOFC están limitadas a temperaturas alrededor de los 1000°C , esto, debido a que su resistencia óhmica del electrolito se incrementa con una disminución de la temperatura. Es importante mencionar que es vital mantener una temperatura por debajo del punto de ebullición (100°C a presión de una atmósfera) para no provocar daño a la celda de combustible y evitar que el vapor de agua afecte en una menor presión parcial del oxígeno y con esto el desempeño de la celda. Por ejemplo, en una C.C. tipo de membrana polimérica, el efecto neto es que el voltaje en la celda aumenta con incrementos de temperatura hasta el punto en donde se acerca a la temperatura de ebullición del agua; a partir de ahí, el voltaje empieza a decaer, por tanto el punto óptimo ocurre cerca de los 360 K, en donde los efectos por temperatura y presión se balancean. 2.8.1.3. Los tiempos de arranque de la celda de combustible. El arranque en frío es otro de los problemas presentes y básicamente se define como el tiempo que la C.C. tarda en alcanzar su temperatura de operación. Las celdas de menor temperatura (PEM, AFC, PAFC) tienen un tiempo en arranque en frío menor a comparación de las celdas de alta temperatura (SOFC, MCFC, TSOFC). En determinado tipo de aplicaciones, los arranques rápidos son un parámetro que adquiere una importancia necesaria en algunas aplicaciones tales como: sistemas de alimentación critica, respaldo de energía, automóviles, etc., y para este propósito las celdas de baja temperatura son las más indicadas, en cambio las celdas de alta temperatura son más recomendables para aplicaciones en donde el tiempo necesario para el arranque no es un requerimiento crítico. En el caso de las C.C. del tipo SOFC por sus características de los materiales de construcción altamente sensibles a cambios de temperatura, exigen un proceso uniforme y un lento calentamiento en el arranque, lo que causará que estos sean largos, típicamente 8 horas. La tabla 2.6 muestra los tiempos de arranque en frío en las diversas celdas existentes.

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LA TECNOLOGIA DE CELDAS DE COMBUSTIBLE Y SU INTERFASE ELECTRONICA DE POTENCIA PARA APLICACIONES DOMESTICAS E INDUSTRIALES

Tabla 2.6. Tiempos de arranque en frío de las diversas celdas [25] Tipo de celda SOFC

Tiempo de arranque Horas

MCFC

Horas

PAFC

Horas

PEMFC

Segundos-minutos

AFC

Minutos

En algunos sistemas comerciales (como el que se muestra en la figura 2.12) que poseen sistemas basados en C.C. ya instrumentados, se cuenta con sensores que permiten monitorear la temperatura y de acuerdo a la temperatura que se tenga durante el proceso de arranque, se toma una acción de control que permita excitar la reacción electroquímica que se lleva en la celda.

Figura 2.12. Sistema instrumentado basado en celda de combustible de la compañía Ballard. [www.ballard.com] En el experimento realizado por Kosek [26], una celda alimentada directamente con metanol se sometió a pruebas de arranque en baja de temperatura. Se realizaron dos pruebas para evaluar el arranque en frío, primeramente, la temperatura del apilamiento fue mantenida a 1°C (34°F) mediante su colocación en una cámara de enfriamiento, para analizar su comportamiento a un ambiente de temperatura baja. La figura 2.13 muestra las curvas de respuesta obtenidas de esta primera prueba.

Figura 2.13. Gráfica de arranque en frío de una C.C. alimentada con metanol. [26] Mientras se sostuvo la temperatura circundante en la cámara de enfriamiento a un 1°C la máxima potencia de salida obtenida de la celda fue de 13 watts (ver figura 2.13), y se alcanzó en dos horas de operación.

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CAPÍTULO 2. CARACTERISTICAS DE OPERACIÓN DE LA CELDA DE COMBUSTIBLE.

En la segunda prueba, el depósito de metanol, usado como combustible, y el apilamiento de la celda se colocaron nuevamente en la cámara de enfriamiento a una temperatura de 1°C, después de arrancar la celda, la cámara fue abierta al ambiente así como el apilamiento, posteriormente se alimentó la celda haciendo recircular el combustible, ningún equipo de calentamiento se usó y todo el calor que se generó lo absorbió la celda;, la potencia de salida se monitoreó mediante un banco de mosfets que se enlazó con la celda manteniendo la alimentación de oxígeno constante. La respuesta en arranque se muestra en la figura 2.14.

Figura 2.14. Arranque en frío con temperatura ambiente de una celda de combustible alimentada con metanol directo. [26] En esta segunda prueba la temperatura del metanol en la entrada de la celda se incremento a 52°C (126°F) durante su operación y se obtuvo una potencia de salida de 23.9 watts, esta potencia se mantuvo muy cerca de la potencia máxima estimada para este experimento (24 watts). El tiempo que se requirió para alcanzar la operación de la celda en estado estable fue de 1.25 horas. Estas pruebas demostraron que es posible operar este tipo de celdas a bajas temperaturas en donde las condiciones climáticas puedan ser adversas. 2.8.1.4. Cambio rápido de carga. Otro de los factores que afecta el desempeño de la C.C. es la variación en la demanda de carga, lo cual se refleja en el tiempo que le toma a la C.C. absorber de manera satisfactoria dicha demanda, la forma de responder antes cambios bruscos de corriente varia con el tipo de celda, pero lo importante es analizar como asimila esta variación para restituir su operación normal. Se han realizado trabajos de investigación sobre este aspecto de operación dentro de los cuales se mencionaran los siguientes: En el mismo experimento de la sección anterior, Kosek evaluó la respuesta de la C.C. de metanol ante cambios abruptos y continuos de corriente mediante una prueba llamada “prueba de seguimiento en cambio rápido de carga”,(RLF, Rapid Follow Change, en inglés) y que consiste en hacer variar la corriente que se le demanda a la celda, a máxima potencia de salida, en ciclos cortos . Esta investigación forma parte de una prueba estándar en carros impulsados a base de C.C. Para realizar prueba fue necesario conocer la máxima potencia de salida, ver figura 2.15.

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LA TECNOLOGIA DE CELDAS DE COMBUSTIBLE Y SU INTERFASE ELECTRONICA DE POTENCIA PARA APLICACIONES DOMESTICAS E INDUSTRIALES

Figura 2.15. Perfil de operación obtenido para una celda de combustible de metanol [26] Después de haber obtenido el perfil característico de la figura anterior, la celda fue sometida a una serie de escalones de corriente en periodos cortos de tiempo. La figura 2.16 muestra la respuesta de la celda ante un escalón ampliado de demanda de corriente y se observa la respuesta tanto en escalón ascendente como descendente, y su respectiva respuesta en voltaje de salida.

• • • •

CONDICIONES DE PRUEBA Inyección de combustible : metanol a flujo a razón de 40 c.c/min alimentación de oxígeno a 60°C. el metanol fue precalentado. Densidad de corriente total máxima 240mA/cm2.

Figura 2.16. Respuesta de la celda ante variaciones en carga (Prueba de seguimiento rápido de carga). [26] Inicialmente la demanda de corriente normal fue de 2.5 Amp. y su voltaje de salida era de 2.7 Volts., posteriormente la celda sufrió un cambio en corriente ascendente a un valor de 10 Amp., por lo que su voltaje de salida disminuyó a un valor de 2.1 volts, esta demanda de corriente se mantuvo por un periodo de 85 segundos, después se vuelve a presentar un cambio en corriente descendente de 10 Amps a 2.5 Amps , y entonces el voltaje de salida aumentó a un valor de 2.8 V.

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CAPÍTULO 2. CARACTERISTICAS DE OPERACIÓN DE LA CELDA DE COMBUSTIBLE.

La finalidad de este experimento fue evaluar la respuesta de la celda ante demandas súbitas de corriente y de acuerdo a los resultados obtenidos, se determina que la celda de metanol es una excelente opción para aplicaciones, donde el la demanda de corriente es variable. Otra prueba que evalúa el comportamiento de la celda ante variaciones en demanda de corriente fue realizada por Jefferson Correa [20]. A diferencia del primer experimento, realizado por Kosek, aquí se simuló el comportamiento de una C.C. en base a un análisis de un modelo electroquímico de una celda tipo PEMFC; el modelo toma en cuenta los potenciales generados de acuerdo a la naturaleza de la celda y por la demanda de corriente en los electrodos, de acuerdo su perfil característico. Las gráficas 2.17a. y 2.17b muestran respectivamente un cambio en carga tipo escalón y su respectiva respuesta en voltaje de salida. Inicialmente se demanda de la celda una corriente de 50 Amps, después de 3 segundos de simulación la corriente se incrementa a 150 Amps permaneciendo en este valor, y a los 7 segundo la demanda de corriente se decrementa a nuevamente a 50 Amps.

(a) (b) Figura 2.17a. y 2.17b.Gráfica de escalón de corriente aplicado a la celda y su respuesta en voltaje de salida. [20] La gráfica de respuesta de tensión de salida muestra una respuesta más atenuada y más pronunciada en el cambio de carga ascendente que en el descendente, por otra parte, los valores de voltaje están en el orden de los 30.70 Volts aproximadamente antes de que la demanda en carga se incremente, al presentarse el cambio en corriente el voltaje cae a 25.83 Volts y cuando nuevamente se presenta un cambio en corriente descendente, la tensión aumentó a un valor de 30.70 volts Las conclusiones de este modelo y de la prueba de seguimiento de carga rápida indican que las variaciones en el voltaje de salida presentan una componente directamente relacionada con la corriente que demanda la carga y está se denomina como sobrepotencial óhmico. Mientras que los otros dos componentes, sobrepotencial por activación y por concentración de masas, son los responsables de la atenuación en la variación del voltaje de salida de la celda en función de la corriente que se demanda, esta variación dinámica del voltaje tiene reflejos significativos en la fuente de energía, pues podría causar sobretiros de tensión. Esta característica debe de ser tomada en cuenta para el diseño de sistemas acondicionadores aplicados a C.C., otras fuentes de energía pueden ser de mucha ayuda para atenuar los efectos de las variaciones abruptas, ya que los cambios bruscos en corriente pueden dañar temporalmente o permanentemente las celdas. 2.8.1.5. El efecto de capa doble de carga En la celda de combustible existe un fenómeno conocido como “capa doble de carga”, y es de extrema importancia para el entendimiento de la dinámica de operación de la celda.

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LA TECNOLOGIA DE CELDAS DE COMBUSTIBLE Y SU INTERFASE ELECTRONICA DE POTENCIA PARA APLICACIONES DOMESTICAS E INDUSTRIALES

Siempre que dos diferentes materiales están en contacto, existe una acumulación de carga en la superficie o una transferencia de carga de un material a otro. En los sistemas electroquímicos, la capa de doble carga se forma debido a los efectos de difusión, como en los materiales semiconductores, a las reacciones en los electrodos y electrolito y como resultado de los voltajes aplicados. Para ejemplificar esto, la figura 2.18 muestra la capa de doble carga en el cátodo de una C.C. de electrolito ácido. [1] La capa de carga en la interfase electrodo/electrolito es un almacenamiento de carga eléctrica y se asemeja al comportamiento que tiene un capacitor eléctrico. Si la corriente decrece, entonces habrá un tiempo para que la carga y su voltaje asociado se disipen. Si la corriente se incrementa, entonces el sobrepotencial por activación no seguirá inmediatamente a la corriente como lo hace el sobrepotencial óhmico. El resultado es que si la corriente cambia súbitamente, el voltaje operacional muestra un cambio inmediato debido a la resistencia interna, pero se mueve muy lentamente a su valor final de equilibrio.

Figura 2.18. El efecto de capa de doble carga en la celda de combustible. [1] Es importante recalcar que el potencial óhmico no es afectado, dado que está relacionado en forma lineal a la corriente de celda mediante la ley de Ohm, por tanto, un cambio en la corriente causa un inmediato cambio en la caída de voltaje óhmico. [27] De esta manera, puede considerarse que un tiempo de retardo existe en los sobrepotenciales de activación y concentración. La constante de tiempo τ(s) asociada con este retardo está dada por la siguiente expresión:

τ = C ∗ Ra ............................................................. (2.33) Donde: C Ra

es la capacitancia equivalente (F) del sistema es la resistencia equivalente en ohms (Ω).

El valor de la capacitancia en faradios es de baja magnitud y la resistencia Ra está determinada por valores, en estado estable, de la corriente en la celda y de los voltajes de activación y concentración, utilizando la siguiente expresión: Vact + Vcon i .................................................... (2.34) Una manera de representar esto matemáticamente es por medio de una expresión de un circuito equivalente, con la capa de doble carga representada por un capacitor. La capacitancia de una celda de combustible está dada por: Ra =

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CAPÍTULO 2. CARACTERISTICAS DE OPERACIÓN DE LA CELDA DE COMBUSTIBLE.

C =ε

A ................................................................. (2.35) d

Donde: ε es la permisividad eléctrica. A es el área de los electrodos. d es la separación de los platos. En el caso de las celdas de combustible, la separación entre platos es muy pequeña, típicamente en nanómetros, lo cual da como resultado valores de la capacitancia bajos. La conexión entre esta capacitancia, la carga almacenada, y sobrepotencial por activación resultante nos conduce a un circuito equivalente que se muestra en la siguiente figura 2.19.

Figura 2.19 Modelo de circuito eléctrico equivalente de una celda de combustible. [1] El circuito representa el modelo eléctrico de la C.C., la resistencia Rr modela las pérdidas óhmicas. Un cambio en la corriente da un cambio inmediato en la caída de voltaje a través de esta resistencia, la resistencia Ra por su parte, modela el sobrepotencial por activación, y el capacitor suaviza cualquier caída de voltaje a través de esta resistencia. Si se considera incluir las pérdidas por sobrepotencial por concentración, entonces se tendría que incluir otra resistencia dentro del modelo antes mostrado. Generalmente el hablar del efecto de estas capacitancias resultante de esta doble capa de carga, da a la celda de combustible un desempeño dinámico, en el cual el voltaje se mueve muy suavemente a un nuevo valor en respuesta a un cambio en la demanda de corriente. Esto también permite una simple y efectiva manera de distinguir entre los principales tipos de caídas de voltaje y por lo tanto analizar el funcionamiento de una celda de combustible.

2.9. La celda de combustible comparada con otros dispositivos generadores de energía. En los párrafos anteriores se analizó el comportamiento de la celda desde su punto de vista operativo, ahora en esta sección, se compara con otros dispositivos generadores de energía. La comparación inmediata con las celdas de combustible, es con las baterías. La justificación para hacer la comparación se debe a que ambos dispositivos funcionan bajo el mismo principio electroquímico, es decir, ambos poseen electrodos, un electrolito y basan su funcionamiento en una reacción electroquímica y aunque ambos poseen la misma eficiencia teórica, es interesante comparar ambas tecnológicas y observar el potencial de crecimiento de las celdas. Actualmente las baterías son uno de los medios más empleados para almacenamiento de energía en sistemas de respaldo y de emergencia, existen algunas aplicaciones como: computadoras portátiles, relojes, sistemas automotrices eléctricos, entre otros. 47

LA TECNOLOGIA DE CELDAS DE COMBUSTIBLE Y SU INTERFASE ELECTRONICA DE POTENCIA PARA APLICACIONES DOMESTICAS E INDUSTRIALES

La electricidad proveniente de baterías no recargables (también llamadas baterías primarias) es muy cara. Para reducir costos muchos fabricantes de equipos están cambiando a baterías recargables (llamadas baterías secundarias). [28] Una celda de combustible tiene componentes y características similares a una batería típica, pero también existen diferencias al respecto, entre las cuales se mencionan [14]: a) La batería es un dispositivo de almacenamiento. b) La máxima energía disponible en una batería está determinada por la cantidad de reactivos químicos almacenados dentro de la batería misma. c) La batería dejará de producir energía eléctrica cuando los reactivos químicos sean consumidos (por ejemplo, cuando la batería se descarga). d) En una batería secundaria, los reactivos son regenerados por recarga, lo cual implica poner energía en la batería a través de una fuente externa. e) Su tiempo de vida es limitado (de acuerdo al tipo de batería) La celda de combustible por otra parte: a) Es un dispositivo que procesa energía. b) Tiene la capacidad de producir energía eléctrica mientras el combustible y el oxidante se provean a los electrodos. c) Tiempo de vida mucho más amplio que el de una batería. Para tener un entendimiento más claro acerca del impacto de las baterías y de las C.C., se hablará de los costos por usar baterías como medio de generación de energía y posteriormente se comparara con la celda. En el caso de las baterías primarias, estas tienen sus ventajas: el alistamiento operativo, una elevada densidad de energía, almacenamiento prolongado y el uso inmediato. Pero los avances en las baterías recargables han colocado las densidades de energía a la par de las primarias. Uno de los puntos importantes es que se necesita trabajar aún más para lograr que las baterías tengan mayores tiempos de almacenamiento y mejorar sus ciclos de vida, lo cual es un problema que afecta a las baterías recargables de ultra elevada densidad. La tabla 2.7 revela un costo de energía mucho más bajo en las baterías recargables. El análisis se basa en el precio de compra de un conjunto de baterías comerciales y en el número de ciclos de descarga y carga que soporta antes que sea necesario el reemplazo. El costo no incluye la electricidad que se necesita para cargarla, ni tampoco tiene en cuenta el costo de compra y mantenimiento de equipo de carga.

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CAPÍTULO 2. CARACTERISTICAS DE OPERACIÓN DE LA CELDA DE COMBUSTIBLE.

Tabla 2.7 Comparación en costo de las diferentes baterías secundarias. [28] Característica Energía por descarga Vida de ciclos (mejores casos) Costo por batería Costo por kWh ($US)

NiCD celda AA

NiMH celda AA

Plomo Acido (plástico)

Li-ion celda 18650

BB-390 militar

4.5 Wh

7.5 Wh

24 Wh

8.6 Wh

130 Wh

1500

500

250

500

250

$50

$70

$50

$100

$260

$7.50

$18.50

$8.50

$24.00

$8.00

La comparación se aplica a baterías empleadas en productos comerciales tales como teléfonos celulares, radios de dos vías, computadoras portátiles y cámaras de video. La columna derecha de la tabla 2.8 evalúa el costo de la BB-390, un tipo de batería de uso militar de NiMH, la cual se usa en lugar de la de anhídrido sulfúrico de litio. El ciclo de vida de todas las baterías se calcula en base a los mejores casos. Tomando en cuenta el costo por el uso de baterías, ahora se muestra una comparación en la tabla 2.8 por usar baterías y C.C como medios para proveer energía, la información mostrada considera costos por generar un kilowatt. Tabla 2.8. Costo por generar 1 kW con diferentes tecnologías. [28] Costo de inversión (de equipo para generar 1 kW)

Vida (del equipo antes de reparación mayor o reemplazo)

Costo de combustible (para generar 1 KW, valores estimados)

Costo total (por kWh., incluye combustible, mantenimiento, costo y equipo de reemplazo)

$4.00 4 cada celda AA

10 hrs. Un uso

N/A

$330

$7000 Basado en 7.2V

1500 hrs. Basado en un ciclo descarga

$0.15 para electricidad

$7.50

$30 basado en precio de compra de $3000/100kWh (134 hp)

4000 hrs.

$0.10

$0.14

Celda de combustible -Para uso portátil -Para uso móvil -Para uso estacionario

$3000-$7500

2000 hrs. 4000 hrs. 40000 hrs.

Valores estimados $0.35 $0.35 $0.35

$1.85-$4.10 $1.10-$2.25

Electricidad -red eléctrica comercial

Todo incluido

Todo incluido

$0.10

$.10

Característica

Batería primaria celdas alcalinas AA Conjunto de baterías secundarias -Para uso portátil Motor a combustión -Para uso móvil

Nota: N/A

No aplica

La tabla anterior toma en cuenta: la inversión inicial, el consumo de combustible, el mantenimiento eventual del equipo y su eventual reemplazo. Se puede observar en la tabla que la tecnología más barata es la electricidad usada en redes residenciales, en tanto que la situación de las celdas de combustible está

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LA TECNOLOGIA DE CELDAS DE COMBUSTIBLE Y SU INTERFASE ELECTRONICA DE POTENCIA PARA APLICACIONES DOMESTICAS E INDUSTRIALES

intermedia, es decir, es una tecnología que apenas esta entrando en una comercialización, pero que con el paso del tiempo los costos se irán reduciendo y por tanto se tendrá más accesos a ellos.

2.10. Conclusiones del capitulo. Las C.C. son una alternativa de generación de energía eléctrica y desde el punto de vista operativo tienen importantes ventajas sobre otras tecnologías (como las máquinas de combustión interna), ya que se obtienen altas eficiencias al ser integradas en régimen de cogeneración. La diversidad en los tipos de celda, permiten considerar su uso en diversas aplicaciones, y siempre tomando en cuenta los requerimientos y las características de la aplicación (tipo de cargas a alimentar, niveles de voltaje, niveles de corriente, eficiencia), es importante recalcar que las características de cada celda presentan ventajas y desventajas en cuanto al tipo de electrolito usado, la forma de conexión de sus electrodos, el tipo de electrocatalizadores empleados y la temperatura a la cual operan. De los tipos de celdas tratadas en este capítulo se desprenden dos grupos, las celdas de baja temperatura y las de alta temperatura, las características principales de las primeras son que emplean electrolitos sólidos y acuosos, y donde el manejo de la temperatura de ebullición del agua representa un aspecto a tomar en cuenta, por otro lado, este grupo de celdas no se considera adecuado para aplicaciones en régimen de cogeneración debido a la magnitud del calor que se genera. En tanto, las celdas de alta temperatura son celdas cuya flexibilidad en el uso de diversos tipos de combustible (incluyendo hidrocarburos) es factible. Actualmente la tendencia es usar materiales cerámicos en las celdas de alta temperatura debido que presentan una mejor resistencia a temperaturas mayores, y son celdas óptimas para usarse en régimen de cogeneración debido a la gran cantidad de calor generado, el cual puede ser reutilizado para la misma operación de la celda o empleado para alimentar turbinas de gas. El capítulo mostró las características y funcionamiento de las celdas, se analizó su dinámica de operación y se expusieron sus características tanto electroquímicas como eléctricas, las deducciones de las diversas investigaciones muestran que las pérdidas que se presentan en la celda son producto de la naturaleza de la reacción, de los componentes empleados en la celda y del nivel de corriente que se demanda a la celda. De acuerdo a la curva característica de operación, se recomienda operar en la zona lineal; se puede demandar más corriente a la celda, pero eso impactará en el nivel de voltaje que se obtenga y por otra parte en el tiempo de vida de la celda, por lo que no es recomendable operar en la zona de máxima demanda de corriente. La formulación electroquímica y termodinámica es una herramienta muy útil para analizar la dinámica de la celda, en base a estas formulaciones es posible obtener perfiles de comportamiento ante variaciones en los diferentes parámetros (presión, velocidad de reacción, temperatura, nivel de voltaje de salida). Los efectos en la presión y en la temperatura juegan un rol importante en el desempeño de la celda y por ello es importante analizar estos dos efectos en particular al momento de diseñar un sistema basado en celdas. Es sencillo deducir que de acuerdo a la figura 2.10 un aumento en la presión mejoraría sustancialmente el desempeño de la celda de combustible, pero por otra parte se encarece el costo. En el caso de la temperatura, la operación a valores considerables facilita el uso de hidrocarburos que pueden ser reformados dentro de la misma celda, sin necesidad de implementar dispositivos reformadores.

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CAPITULO 3. LOS SISTEMAS DE ACONDICIONAMIENTO EN CELDAS DE COMBUSTIBLE Y SU ELECTRONICA DE POTENCIA ASOCIADA.

CAPÍTULO 3 LOS SISTEMAS DE ACONDICIONAMIENTO EN CELDAS DE COMBUSTIBLE Y SU ELECTRONICA DE POTENCIA ASOCIADA.

E

l capítulo expone el desarrollo de los sistemas de acondicionamiento aplicados a celdas de combustible, resaltando la importancia que tiene la electrónica de potencia y la relación que guarda con los sistemas de generación de energía , en particular con las celdas de combustible.

Más adelante se listan los requerimientos que un sistema acondicionador de potencia aplicado a C.C. debe de cumplir para poder suministrar un voltaje determinado. La etapa a analizar en este capítulo es la conversión de CD/CD, porque juega un papel importante en los sistemas acondicionadores aplicados a C.C. A lo largo del capítulo se verán algunas topologías de conversión desarrolladas en algunas investigaciones y donde cada una de ellas muestra una serie de ventajas y desventajas de acuerdo a su área de aplicación. La electrónica de potencia tiene un gran potencial de desarrollo en los sistemas de energía que usan fuentes de energía renovables, sobre todo en el área de celdas de combustible, al día de hoy existe desarrollo e investigación en diversos rubros como es el automotriz, sistemas de respaldo, sistemas de generación remotos. Un área de mayor interés es la aplicación portátil donde la celda de combustible ha logrado incursionar, en consecuencia es vital que la electrónica de potencia asociada sea eficiente y barata, por ejemplo Intel fundó una compañía llamada PolyFuel con el objetivo de desarrollar celdas de combustible para computadores portátiles. El propósito de este trabajo es analizar todas las opciones viables y estar en condiciones de proponer trabajos futuros en sistemas basados en celdas de combustibles con una electrónica de potencia eficiente y de buena respuesta. 51

LA TECNOLOGÍA DE CELDAS DE COMBUSTIBLE Y SU INTERFASE ELECTRÓNICA DE POTENCIA PARA APLICACIONES DOMÉSTICAS E INDUSTRIALES

3.1. El acondicionamiento de energía aplicado a las celdas de combustible. Con el desarrollo de nuevas formas de generación de electricidad, entre ellas las celdas de combustible, ha sido necesario el desarrollo de formas de acondicionamiento de energía. Uno de los objetivos en las tecnologías de generación de energía es tener sistemas acondicionadores eficientes y de bajo costo con el propósito de que sean competitivos, por esta razón, nuevas formas de conversión de energía se están desarrollando. Así mismo, es necesario proveer al mercado de la demanda de electricidad a un costo efectivo de manera que el uso de energías renovables, como las celdas de combustible, sean atractivas [3] 3.1.1. La importancia de la electrónica de potencia asociada a las celdas de combustible. Los retos que tiene la electrónica de potencia en este nuevo milenio son: el desarrollo de automóviles con fuentes de energía alternativas; el desarrollo de pilas más ligeras y de mayor capacidad para los aparatos de telecomunicación y computadoras portátiles; y el desarrollo técnicas de control en los sistemas de electrónica de potencia.

Figura 3.1. Sistema basado en celda de combustible para una computadora portátil.[30] Con el desarrollo de convertidores y de sistemas que controlen la dinámica de la celda, se ha logrado proyectar a la celda de combustible a otro tipo de aplicaciones nuevas donde antes se consideraba poco atractiva. Como ejemplo, la figura 3.1 ilustra una aplicación en donde la electrónica de potencia se ha conjugado con el uso de las celdas de combustible dando como resultado una aplicación potencialmente competitiva frente al uso de formas tradicionales de generación de energía eléctrica. Existen diversos trabajos de investigación sobre el desarrollo de convertidores CD/CD aplicados a C.C., entre los que se puede mencionar a Santi [31], Jason Lai [32], Cheng K. [33], S.K. Mazumder [34] que Evalúan la etapa de conversión CD/CD y su comportamiento ante una novedosa forma de generación de electricidad, la celda de combustible. La función principal de sistemas acondicionadores de energía aplicados a C.C. es llevar a cabo la conversión de un voltaje de corriente directa no regulado, que genera la celda, a un voltaje en corriente directa regulado (o también llamada conversión CD/CD) o convertir a corriente alterna (conversión CD/CA) para: Alimentar a sistemas en baja potencia (por ejemplo teléfonos celulares, sistemas de cómputo personales de escritorio y portátiles, alcoholímetros).

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CAPITULO 3. LOS SISTEMAS DE ACONDICIONAMIENTO EN CELDAS DE COMBUSTIBLE Y SU ELECTRONICA DE POTENCIA ASOCIADA.

Sistemas de respaldo de emergencia, aplicaciones automotrices, sistemas residenciales con menos de 2 kW de demanda. Sistemas de generación eléctrica para alimentar diversos tipos de cargas ya sea del tipo estacionario o interfases para enlazar a la red eléctrica. La figura 3.2 da una referencia de las aplicaciones que ha cubierto la C.C. y los valores de potencias que cubren.

Figura 3.2. Escalas de potencias para las diversas aplicaciones en las celdas de combustible. [35] En el caso particular de las aplicaciones de mediana potencia, los usos más comunes son encontrados en sistemas de alimentación residenciales son para: Alimentación de cargas dedicada aislada y/o remota. ( ya sea en CD o en CA); alimentación de energía de respaldo para cargas dedicadas o remotas o en su caso conectar a una empresa de energía local; para alimentación de una carga operando en paralelo con la red local (red local interactiva); para conexión directamente a una red local; para sistemas automotrices; arquitecturas de conversión de energía para turbinas híbridas con celdas de combustible con o sin interfase hacia la red local. En un estudio realizado por la empresa Grupo Darnell y Frost & Sullivan [www.powerelectronics.com] se confirma la tendencia a usar C.C. El mismo estudio menciona que se espera que las aplicaciones portátiles penetren en el mercado en el año 2005, lo cual representaría una venta de alrededor de 8.6 millones de unidades. Estos factores que se mencionan, hacen importante que la electrónica de potencia tenga un desarrollo a la par con las aplicaciones que usen C.C La figura 3.3 muestra el diagrama de bloques de un sistema de acondicionamiento de energía usado para aplicaciones de mediana potencia (aplicaciones residenciales).

Figura 3.3. Diagrama a bloques de un sistema de acondicionamiento de energía. [3] 53

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Los bloques que componen a un sistema de acondicionamiento son: CELDA DE COMBUSTIBLE. Es la fuente de generación de energía que provee al sistema el voltaje de corriente directa CD, no regulado. CONVERTIDOR DE CD/CD. Es el responsable de tomar el voltaje de salida de la celda que no está regulado y regular, elevar y mantener el voltaje de salida de la celda. Típicamente los sistemas comerciales de mediana potencia tienen como especificación de voltaje de salida 12, 24 o 48 volts. [50],[51] ENLACE Y RESPALDO DE CD (BATERIA). Es un sistema de pre-arranque y respaldo de energía cuando la demanda de la carga rebase la capacidad de la celda. , aplica en los sistemas donde el respaldo de energía es crítico utilizando para este propósito bancos de baterías que suministren la energía que se demanda del sistema. , La principal desventaja está en que algunos sistemas de respaldo consideran baterías de gran tamaño y costosas, por ello se está investigando en nuevas formas de respaldo de energía, como el SUPERCAPACITOR. INVERSOR (CD/CA). Tiene la función de tomar el voltaje de CD que proviene del convertidor CD/CD o del sistema de respaldo y convertirlo a un voltaje de forma senoidal, normalmente a una especificación de 120 o 220 V @ 60 Hz. FILTRO DE SALIDA. Se encarga de filtrar la señal para que sea una señal senoidal libre de armónicos. 3.1.2. Aspectos generales a tomar en cuenta en el diseño de un sistema de acondicionamiento de energía aplicado a celdas de combustible. Existen aspectos que se deben de tomar en cuenta en el diseño del sistema acondicionador, entre las cuales están: mantener un voltaje regulado, elevar la tensión de salida de la celda, establecer un enlace entre la celda y la aplicación, y minimizar las pérdidas. Los siguientes puntos exponen de una manera resumida, los requerimientos que se toman en cuenta para la implementación de un sistema de acondicionamiento de energía en C.C [31] DINÁMICA LENTA EN LA CELDA. La dinámica lenta de la celda es una forma de operación, que se debe a la cinética de las reacciones electroquímicas en los electrodos, a la variación en la presión del flujo de combustible (hidrógeno) y medio oxidante (oxígeno). Al momento del arranque, la celda no tiene la capacidad de suministrar la energía de manera óptima debido a que la velocidad de reacción es lenta y va en aumento hasta alcanzar un punto óptimo. Por tanto la respuesta en voltaje de la celda es lenta. Por ello, algunas interfases consideran la implementación de bancos de baterías que proporcionen el nivel óptimo de voltaje durante el arranque. VARIACIONES DEL VOLTAJE DE SALIDA EN LA CELDA. La C.C tiene la característica de entregar un voltaje de CD variable y no regulado, lo que representa una desventaja frente a otras fuentes, y causa que la celda no sea apta para alimentar directamente a las aplicaciones, siendo necesario implementar etapas de conversión (CD-CD, CA/CA) que cumplan la función de entregar un voltaje de salida regulado. SENSIBILIDAD A LA PULSATORIEDAD DE LA CORRIENTE DE ENTRADA. Los tipos de cargas que se alimentan es otro de los parámetros a tomar en cuenta en el diseño, las interfases deben de considerar parámetros de carga críticos y cambios abruptos en corriente que deben de ser absorbidos por la interfase para tener una respuesta óptima ante variaciones en demanda de corriente.

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CAPITULO 3. LOS SISTEMAS DE ACONDICIONAMIENTO EN CELDAS DE COMBUSTIBLE Y SU ELECTRONICA DE POTENCIA ASOCIADA.

AISLAMIENTO GALVÁNICO DE LA CELDA. En el diseño de etapas de acondicionamiento se requiere cumplir con normas de seguridad, que permitan un manejo seguro de un sistema. La C.C, debe de protegerse contra corrientes de retroalimentación que se presenten en las topologías, por esta razón algunos arreglos consideran el aislamiento de tipo galvánico (transformadores de alta y baja frecuencia).

3.2. La conversión CD/CD y su importancia en sistemas de alimentación de energía basados en C.C. Tomando en cuenta la problemática que la celda tiene como fuente generadora de energía y que además tiene una dinámica lenta de operación, la conversión CD/CD se vuelve una etapa de suma importancia porque es el enlace de la celda con las aplicaciones. El objetivo de este trabajo de tesis es resaltar la importancia de esta etapa en el sistema de acondicionamiento de energía y mostrar las topologías básicas aplicadas a la conversión CD/CD y sus características más importantes. 3.2.1. El convertidor CD/CD. Actualmente los convertidores se utilizan ampliamente en el control de los motores de tracción de automóviles eléctricos, grúas marinas, montacargas, proporcionan control en aceleraciones continuas, una alta eficiencia y una respuesta dinámica rápida. Los convertidores se pueden usar en el freno regenerativo de motores de CD para devolver la energía a la alimentación, característica que da como resultado un ahorro en aquellos sistemas de transporte que tienen paradas frecuentes y se utilizan en reguladores de voltaje CD. [4] En muchas aplicaciones industriales, es necesario mantener una tensión constante de salida ante variaciones de la tensión de entrada, fuente de alimentación continúa, y variar la tensión de salida independientemente de las variaciones de la tensión de entrada. El convertidor CD/CD realiza la tarea antes descrita y funciona bajo dos principios básicos: elevador y reductor, los cuales posteriormente se derivan en otras topologías. Más información en esta referencia [Teoría de convertidores CD/CD]. Una característica deseable en el estudio de cualquier circuito electrónico, es la utilización de técnicas lineales. Sin embargo, los convertidores de alimentación conmutados son circuitos no lineales y discontinuos, por tanto para su caracterización dichos circuitos se descomponen en subcircuitos cuyo funcionamiento sea lineal y posteriormente se aplican técnicas de modelado que promedien estos estados para linealizar su funcionamiento y validar su comportamiento en pequeña señal. Las figuras 3.4, 3.5, 3.6 muestran las topologías básicas de la conversión CD/CD, de las cuales de manera resumida se muestran las características de cada una de ellas.

Figura 3.4. Topología reductora.

Figura 3.5. Topología elevadora.

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Figura 3.6. Topología elevadora-reductora. El convertidor reductor (Buck por su nombre en inglés), figura 3.4, tiene por característica que su tensión de salida es menor que la de la entrada, otra característica del convertidor reductor son: simplicidad en su diseño, fácil de estabilizar, limitación de corriente y protección contra corto circuito, fácil de implementar, se requiere de un capacitor de valor pequeño para minimizar el rizo de tensión a su salida. El convertidor elevador (Boost por su nombre en inglés), figura 3.5, su característica es que su tensión de salida es mayor que la de la entrada. Uno de los inconvenientes de esta estructura es que no está protegido ante cortocircuitos en la salida, dado que el diodo realiza una conexión directa entre la entrada y la salida. Entre otras características están: alto rendimiento, simplicidad, corriente no pulsante en la entrada, corriente RMS elevada en el conmutador, respuesta transitoria mala, difícil de estabilizar y requiere un componente activo en serie con la entrada para protección contra corto circuito. El convertidor reductor-elevador (buck-boost por su nombre en inglés), figura 3.6, se usa para la inversión de la polaridad de tensión de la salida respecto a la entrada. Su tensión de salida puede ser tanto reductora como elevadora, dependiendo del ciclo de trabajo. Este convertidor es una derivación de la conexión en cascada de un convertidor Buck seguido de un convertidor Boost. Dependiendo de la continuidad de la corriente en el inductor durante un periodo de funcionamiento, se puede trabajar en modo continuo o discontinuo. Sus características son: alto rendimiento, proporciona una inversión de la tensión de salida sin necesidad de transformador, simplicidad, elevador/Reductor en tensión y corriente pulsante en la entrada y en la salida. Una de las mayores limitaciones en los convertidores conmutados descritos anteriormente, consiste en no tener aislamiento eléctrico entre su entrada y su salida. Para mayor información al respecto ver referencia: [Convertidores aislados] Los transformadores se utilizan para proveer aislamiento entre las terminales de entrada y salida, según establecen los requisitos de seguridad, también se considera la reducción de tamaño del transformador incorporando un aislamiento de alta frecuencia dentro del convertidor, logrando la minimización del estrés de corriente y tensión cuando se usan factores de conversión grandes y se cuenta con múltiples salidas de tensiones distintas utilizando el transformador con múltiples bobinados secundarios. Partiendo de la estructura básica del convertidor reductor se tienen diversas topologías mediante la inserción de un aislamiento galvánico en diferentes posiciones. Una de las estructuras derivadas del convertidor reductor es el convertidor forward, cuyo diagrama se muestra en la figura 3.7.

Figura 3.7. Topología tipo Forward. 56

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Sus características son: disparo sencillo del transistor de potencia, estructura simple, utilización no optimizada del transformador, mala respuesta dinámica y la necesidad de tener un restablecimiento para la desmagnetización del núcleo del transformador. El convertidor Push-pull, figura 3.8, se obtiene de la unión de dos convertidores de tipo Forward que trabajan en desfase, tiene la ventaja de que la tensión en bornes del transformador y la tensión en bornes del conmutador está limitada al doble de la tensión de entrada, no necesita un mecanismo auxiliar de restablecimiento.

Figura 3.8. Topología tipo Push-pull. Sus características son: disparo sencillo de los dispositivos conmutadores, topología simple, tiene la desventaja de que existe un posible desbalance del flujo (Riesgo de asimetría)., buena utilización del transformador y buen filtrado a la salida. El convertidor tipo medio puente, figura 3.9, y puente completo, son otras topologías aisladas que se caracterizan porque el nivel de tensión que soportan sus semiconductores durante el estado de corte es la tensión de entrada y no el doble, como ocurría en los convertidores Forward y Push pull. Por tanto son topologías principalmente usadas para aplicaciones fuera de línea (off-line). Como ventajas generales se puede destacar cómo los picos de tensión debidos a la inductancia de dispersión son recortados fácilmente a la tensión de alimentación, devolviendo la energía almacenada en estas inductancias hacia el bus de entrada.

Figura 3.9. Topología medio puente. 3.2.2. Los requerimientos del convertidor CD/CD aplicado a celdas de combustible En la actualidad se desarrollan equipos comerciales que operan C.C. para usos en sistemas de respaldo de energía y sistemas de alimentación residencial. Las especificaciones de voltaje de salida en estos equipos instrumentados es de 48 volts con potencias de salida que van desde 500 Watts hasta los 5 kW. Para dar una idea más clara de los tipos de topologías de conversión CD/CD que se usan en sistemas basados en C.C., la figura 3.10 muestra una clasificación de conversión CD/CD, esto puede ser de gran ayuda al momento de considerar el diseño de sistemas que operan a una potencia y un voltaje requerido. Por ejemplo, si se requiere trabajar a bajas potencias y en aplicaciones donde no existe una considerable demanda de corriente, los convertidores Flyback o Forward son los adecuados, en cambio si se requiere

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trabajar a mediana y alta potencia, entonces los convertidores más adecuados son el tipo puente, medio puente y Push pull.

Figura 3.10. Clasificación de los diversos convertidores de acuerdo a su voltaje y potencia de salida. [41] La tabla 3.1 proporciona información respecto a los valores de potencia manejados por las celdas de combustible en sistemas de generación de energía eléctrica. Tabla 3.1. Valores de potencia en sistemas de generación eléctrica de acuerdo a los tipos de celdas. [1] Celda de combustible

Rango de potencia (aplicaciones en sistemas de generación de energía eléctrica)

PEMFC

5 - 250 kW

AFC

50 - 250 kW

MCFC

250 kW – 3 MW

SOFC

3 kW – 3 MW

Cada topología tienen ventajas y desventajas en su uso, pero la problemática que se observa en convertidores aplicados a C.C. tiene los siguientes puntos a considerar de manera común en todas las topologías de conversión CD/CD.

8 8 8 8 8 8

Impacto en las eficiencias por el número de etapas implementadas Alto costo Problemas de arranque. Tamaño del transformador. El uso de respaldo de energía (baterías) a altos voltajes. La corriente de la celda no se puede controlar directamente al tener la batería en paralelo con la celda.

Tomando en cuenta lo anterior, la conversión CD/CD en los sistemas basados en C.C. tienen una serie de opciones para su implementación y que se resumen en la figura 3.11.

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¾ ¾

¾

Protección galvánica para la celda

¾

Se cumplen con normas de seguridad

¾ ¾

Transformador grande Adecuados para altas potencias

¾ ¾

¾ ¾

No se tiene Protección galvánica para la celda Estructura simple

Transformador pequeño Para trabajar a bajas potencias

Mejor funcionamiento en los arranques Colocación de la batería ‹En paralelo con la celda ‹En paralelo con el convertidor CD/CD ‹Topología independiente

Figura 3.11. Opciones de topologías de conversión de energía en función de los requerimientos en celdas de combustible. 3.3. La problemática al enlazar la celda de combustible con los sistemas de acondicionamiento de energía. Uno de los puntos a tratar en esta sección es el tema de la problemática presente al enlazar la C.C. con los sistemas acondicionadores de energía. Básicamente se aborda la problemática que se presenta en la dinámica de operación de la celda y a problemas asociados a las topologías que se emplean. En los párrafos siguientes se analizan los problemas como rizo de corriente de entrada y sobretiros de tensión en respuesta a un cambio súbito en carga. 3.3.1. Los sobretiros de tensión en las C.C. Los sobretiros de tensión son problemas que se presentan en algunos sistemas eléctricos y suceden cuando una existe una disminución súbita en la demanda de corriente en la carga, lo que provoca que la tensión se incremente. Cuando la demanda de carga disminuya de forma súbita en la fuente de poder conmutada, lo único que puede hacer el lazo de control es detener la acción de conmutación y entonces no será “tomada” más energía de la fuente. La energía que se almacena en el inductor del filtro de salida se descarga en el condensador de salida lo que causa un sobretiro de tensión. El problema de los sobretiros de tensión no es un problema intrínseco de la C.C., pero puede causar un daño a la celda, de tal manera que en las topologías que se enlazan a la celda (convertidores CD/CD) se considera la implementación de un filtro que permita atenuar de una manera adecuada el sobretiro de tensión.

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La magnitud del sobretiro de tensión puede variar de acuerdo a la cantidad de corriente que se demande y como se observa en la figura 3.12, claramente se observa que al existir más demanda de corriente en los electrodos de la celda, mayor es el sobretiro de tensión.

Figura 3.12. Magnitud de los sobretiros de tensión presentes en una celda de combustible de acuerdo a la corriente demandada en los electrodos Un ejemplo del efecto de sobretiro de tensión se muestra en la figura 3.12 tomada de una caracterización de una C.C. donde se evalúa el comportamiento de un apilamiento de una C.C. tipo PEM ante una serie de demandas de corriente tipo escalón. [37] La caracterización consistió en someter a la celda a un escalón de corriente y medir su respuesta en voltaje de salida. La figura 3.13 muestra la respuesta que se obtiene al dejar de existir demanda en corriente a la celda, esto provoca una serie de sobretiros de tensión que provocan daños a la celda.

Figura 3.13. Gráfica de respuesta de un apilado de celda de combustible. [37] En consecuencia es recomendable tener un buen diseño del convertidor y una etapa de filtrado que atenué los sobretiros de tensión y evitar el daño a la celda de combustible. En el diseño de convertidores CD/CD que se enlazan a las celdas de combustible se consideran técnicas de conmutación que permitan minimizar el problema. Lai [38] evaluó la magnitud de los sobretiros de tensión y su efecto sobre las C.C.; la figura 3.14 muestra las condiciones presentes para una C.C. de óxido sólido, este análisis grafica la respuesta ante conmutaciones cortas y periódicas a la salida del filtro.

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Figura 3.14. Característica de ruido y sobretiro de tensión en un convertidor CD/CD de conmutación dura para una celda de combustible tipo SOFC. [38] Los sobretiros de tensión se deben a diversas causas: Inductancias parásitas del circuito, inductancia de dispersión en el transformador en topologías con aislamiento galvánico. En este trabajo de tesis fue difícil encontrar especificaciones de sobretiros de tensión, pero se pudieron obtener datos de un sistema comercial de C.C de Cummins [39]. La tabla 3.2 muestra algunos parámetros considerados en un sistema comercial de alta potencia: Tabla 3.2. Especificaciones de tensión para un sistema instrumentado con una celda de combustible tipo SOFC. [39] ESPECIFICACIÓN

VALOR

Máxima tensión regulada

2% del valor nominal de tensión

Sobretiro máximo de tensión

20% del valor nominal

Tiempo de recuperación

5 segundos

3.3.2. El rizo de corriente de entrada. Una variable importante en el diseño de los acondicionadores de energía para C.C. es la cantidad de rizado que la celda puede soportar. El rizo de corriente se define como “la componente de CA indeseable de una corriente pulsante de CD que es producida por un rectificador o dispositivo acondicionador de energía.” En el caso de la conversión CD/CD, es importante resaltar que el convertidor debe ajustarse a los parámetros de rizado que la celda puede soportar, además de ésto no debe de introducir ninguna corriente negativa dentro de la C.C, de aquí que la magnitud y frecuencia del rizado de corriente para C.C. que alimentan cargas monofásicas de 60 Hz por ejemplo, sea 2 veces las frecuencia de salida, 120 Hz. Algunos diseños tienen como especificación que el rizado tenga un límite del 15 % de la corriente nominal y del 10 % al 100% de carga. [31] Más allá de que la magnitud del rizo de corriente, en baja frecuencia, en la celda se deba al convertidor CD/CD, se debe en gran medida a las características del lazo de voltaje establecido entre la celda y el convertidor. 61

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También el capacitor de enlace de CD/CD determina la magnitud del rizo de voltaje en el enlace de CD y tiene un impacto en la corriente de entrada que proviene de la celda de combustible. Las componentes de la frecuencia de conmutación pueden ser atenuadas mediante un filtro capacitivo de alta frecuencia. En cambio para cargas trifásicas balanceadas a la salida del inversor, la posibilidad de componentes de baja frecuencia en la corriente de entrada de la celda de combustible es baja. En los sistemas basados en C.C., el rizo de corriente de entrada es un problema que se expone en diversos artículos. Particularmente en [38] se menciona que la problemática es debida a los siguientes factores: ¾ La salida del inversor de 60 Hz de corriente tiende a “reflejar” hacia la celda de combustible con un rizado de 120 Hz, en tanto no exista un “buffer” de energía entre ellos. ¾ La fuente auxiliar de almacenamiento de energía tiende a interactuar con la celda de combustible , dando con ello una constante de tiempo diferente entre ellos (no sincronizadas)

Figura 3.15. El problema de rizado de corriente en un sistema a base de celda de combustible. [38] Dentro de los diseños propuestos en diversas investigaciones [31], [32], [34], [38], [40] ., se considera la problemática del rizo de corriente de entrada y se proponen algunas soluciones para topologías de conversión CD/CD y son: Colocar un filtro de entrada para atenuar la componente de 120 Hz del rizo de corriente a una magnitud del 15% máximo, esto contribuirá a agregar más costo, tamaño y peso de la unidad; incrementar el tamaño del capacitor de enlace en el inversor:, otra alternativa es adicionar un convertidor CD/CD (figura 3.16), pero causaría impacto en la eficiencia y precio del sistema.

Figura 3.16. Topología alternativa para reducir el rizo de corriente. [38] 3.4. Topologías de acondicionamiento de energía aplicadas en celdas de combustible. Los ejemplos que a continuación se exponen, muestran las topologías que son empleadas en aplicaciones residenciales y aplicaciones para baja potencia. Cada una de ellas muestra ventajas y desventajas. El objetivo es exponer un panorama de la diversidad de esquemas que se consideraran al momento de diseñar un sistema acondicionador de energía basado en C.C. 62

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3.4.1. Topología no aislada. Las figuras 3.17-a y 3.17-b muestran el diagrama a bloques y el circuito de ejemplo de un sistema acondicionador de energía no aislado. Este tipo de esquemas sin aislamiento son los esquemas más sencillos de implementar puesto que requieren un menor número de componentes respecto a otras topologías, tienen la desventaja de que al no contar con aislamiento se cuenta con el riesgo de dejar desprotegida a la celda ante cualquier pulsatoriedad de la corriente que la celda recibe.

(a)

(b) Figura 3.17-a. y 3.17-b. Diagrama a bloques de una topología de conversión no aislada y circuito de ejemplo. [42] Un ejemplo es el esquema propuesto por Lai [42], que muestra una configuración sin aislamiento que consiste un convertidor bidireccional y tiene la característica de operar en dos modos, MODO 1 elevador donde la batería provee de energía a la C.C. y MODO 2 reductor donde la batería se recarga durante la operación en estado estable. La implementación del convertidor bidireccional tiene ventajas como reducción en tamaño y número de componentes, el rizo de corriente se atenúa mediante la incorporación de dos inductancias, que tienen el propósito de provocar un retardo en los dispositivos de conmutación y disminuir el rizo de corriente a un valor mínimo, ésto se muestra en la figura 3.18

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Rizo de corriente disminuido

Figura 3.18. Gráficas de rizo de corriente para topología elevadora-reductora. [42] 3.4.2. Topología con aislamiento galvánico de baja frecuencia. Las figuras 3.19-a y 3.19-b muestran el diagrama a bloques y una topología que considera el aislamiento a baja frecuencia, y donde se cumple con el requerimiento de aislar la celda galvánicamente mediante un transformador de baja frecuencia (60Hz).

(a)

(b) Figura 3.19-a y 3.19-b. Diagrama a bloques topología y circuito de ejemplo con aislamiento galvánico de baja frecuencia. [3] Entre las ventajas que ofrece este esquema es que se opera a altas corrientes, sin embargo se tiene impacto en la eficiencia y su mayor desventaja es que el transformador es voluminoso y de alto costo. La figura 3.19-b muestra el circuito que sirve de ejemplo y de manera breve se comenta su forma de operación: el voltaje de salida de la celda de 29-39 volts de CD, es elevado a un voltaje regulado de 50 V mediante un convertidor CD/CD tipo elevador , el voltaje de salida que se obtiene es procesado mediante un convertidor tipo modulación de ancho de pulso (PWM por sus siglas en inglés) a un inversor CD/CA 64

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para generar un voltaje senoidal de bajo valor ±35 VAC (rms), posteriormente se usa un transformador de frecuencia de línea para elevar el voltaje a 120 V/240 V. El circuito cuenta con un respaldo de batería entre la salida de la celda y el convertidor CD/CD para suministrar la tensión necesaria cuando se demande más carga que la nominal. Durante el estado estable, el regulador mantiene su salida a 50 volts y la batería opera en modo flotado. Entre sus desventajas están: mala respuesta transitoria, difícil de estabilizar, y algunos esquemas tienen un mayor rizado de tensión a la salida. 3.4.3. Topología con aislamiento galvánico de alta frecuencia. Las topologías con aislamiento a alta frecuencia son otra alternativa que se puede emplear en sistemas acondicionadores, tiene la característica de trabajar con un transformador menos voluminoso y pesado.

(a)

(b) Figura 3.20-a y 3.20-b. Diagrama a bloques topología con aislamiento galvánico de alta frecuencia y circuito de ejemplo [3]. Se pueden operar a altas eficiencias mediante la reducción de etapas. Éste tipo de topologías son adecuadas para aplicaciones en baja potencia; el circuito de ejemplo de la figura 3-20b es una manera de implementarlo y se cuenta con dos convertidores, el primero es para elevar la tensión del voltaje de la celda y el otro es un convertidor tipo push-pull para elevar a un valor de tensión considerable de 400V y posteriormente pasar al inversor CD/CA, filtrar la señal y alimentar a la red. 3.4.4 El respaldo de energía para sistemas acondicionadores aplicados a C.C. En aplicaciones donde la disponibilidad de energía es un parámetro critico, se consideran sistemas de acondicionamiento que cuenten con esquemas de respaldo de energía, baterías o supercapacitores. Básicamente cumplen dos funciones, por un lado suministrar la energía requerida en un arranque cuando la celda no tenga capacidad de hacerlo y por otro lado suministrar la energía que se requiere en caso de que la C.C. no satisfaga la demanda de energía.

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CELDA DE COMBUSTIBLE + REFORMADOR

CONVERTIDOR CD/CA

CONVERTIDOR CD/CD

CARGA

BATERÍA

Figura 3.21. Diagrama a bloques de un sistema acondicionador de potencia con sistema de respaldo para una celda de combustible. [3]. El desarrollo de sistemas de respaldo de energía lleva a considerar baterías de alta capacidad que tienen la desventaja de su alto costo y tamaño. Los sistemas de respaldo son necesarios en los acondicionadores usados en C.C. para alimentar aplicaciones de tipo estacionario, sistemas de alimentación continua, para fuentes de energía solitarias, debido a que necesitan almacenamiento para cargas pulsantes; fuentes de energía enlazadas en red, ya que necesitan fuente de energía auxiliar para el arranque; para proveer la energía que se requiere cuando existan súbitas demandas de carga que la celda no podría entregar. Al contar con sistemas de respaldo se mantiene la aplicación alimentada de forma continua, por el contrario, el no contar con sistemas de respaldo representa los siguientes inconvenientes: Respuesta lenta, además de que el voltaje de salida fluctúa con la carga. Lai [32] hace un análisis en cuanto a la viabilidad de colocar sistemas auxiliares de energía en distintas configuraciones para que interactúen con las C.C y suministrar la energía de una manera continua. Los siguientes ejemplos explican algunas formas de implementarlos y siempre buscando sistemas de respaldo no voluminosos lo que implica menor tamaño y costo, menor estrés a los componentes, buena respuesta en arranque y tiempos de carga y descarga menores. 3.4.4.1. Respaldo de energía colocado en paralelo con la celda de combustible. La figura 3.22 ilustra un caso donde el respaldo de energía (batería) está colocado en paralelo directamente con la batería, ésta es una forma sencilla de colocar el respaldo pero implica los siguientes problemas: ´ La corriente de la celda no es controlada directamente. ´ Incompatibilidad de impedancias entre la resistencia interna de la pila y la impedancia interna de la C.C. ´ Bajo condiciones dinámicas una excesiva corriente puede ser tomada de la celda, causando un daño en ella.

Batería (de bajo voltaje) en paralelo con la celda de combustible.

Figura 3.22. Sistema con respaldo de energía en paralelo con la celda de combustible. 66

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3.4.4.2. Respaldo de energía colocado en paralelo después del convertidor CD/CD. En la figura 3.23 muestra otra manera de implementar el respaldo de energía, con la diferencia de que la batería se coloca ahora en paralelo después del convertidor CD/CD y donde se controla la corriente máxima que la celda puede entregar mediante el convertidor elevador, además el voltaje de la batería sirve como voltaje de entrada para la siguiente etapa y su desventaja principal es que la batería debe ser de alto voltaje (del orden de los 250V), lo que impacta en el tamaño y costo del sistema

Batería en paralelo con el convertidor CD/CD.

Figura 3.23. Sistema con respaldo de energía en paralelo después del convertidor CD/CD. 3.4.5. Ejemplos de otras topologías. Los siguientes ejemplos, son una serie de topologías que proponen diversos autores y es el resultado de optimizar el funcionamiento de la etapa de conversión CD/CD, algunos de ellos consideran esquemas alternativos como el uso de convertidores bidireccionales, los cuales incorporan el respaldo de energía usando baterías. 3.4.5.1. Topología con filtro activo y respaldo de batería de baja tensión. Santi [31], [40] propone la implementación de un topología que considera un convertidor bidireccional de CD/CD además de contar con un sistema de respaldo fuera del flujo de energía. La función del convertidor bidireccional es: a) cuando la salida requiere más potencia de la que la celda puede entregar, el convertidor entrega esa energía adicional, mediante la batería, b) recargar la batería, cuando la celda alimente de manera normal al sistema. La figura 3.24 muestra el esquema propuesto.

Figura 3.24. Topología propuesta por Santi. [40] Este esquema representa una buena opción ya que la corriente de la celda se mantiene controlada. A comparación de otros esquemas, solo se tendría pérdida de eficiencia cuando la carga se incremente y bajo condiciones en estado estable se deshabilita a menos que se éste cargando la batería. En cierto sentido la batería y el filtro activo atenúan la respuesta dinámica lenta de la celda de combustible. 67

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La parte fundamental de este diseño es el control por medio de un filtro activo, mostrado en la figura 3.25.

Figura 3.25. Diagrama del control del filtro activo propuesto por Santi. [40] Este control como tiene la función de atenuar la dinámica lenta de la celda de combustible y mantener la batería cargada, el bloque que dice INVERSOR+CARGA, incluye el convertidor CD-CD aislado y el inversor tipo medio puente tal como se muestra en la figura 3.24. La corriente iload representa la corriente absorbida por la C.C., la celda por su parte entrega una “señal” que es iav y que es la corriente que la celda puede entregar, la celda recibe de parte del control una señal ireq que representa el requerimiento de corriente, dada la dinámica lenta de la C.C., la señal de corriente disponible seguirá a la señal de corriente requerida con un retardo de 60 segundos (tiempo de especificación del diseño) , la corriente ich representa la corriente necesaria para recargar la batería e iref es la corriente de referencia para el control de corriente por histéresis, en este control existen dos modos diferentes de operación que pueden ser identificados: 1. modo 1: iaviload .................. (3.2) En el modo 1 la celda de combustible no tiene la capacidad de suministrar la energía requerida por el inversor, el filtro activo tiene que proveer esa energía que se requiere, al mismo tiempo el control debe de poner la corriente requerida igual a la corriente de carga, en conclusión el modo deberá de ser: iref = iload - iav ...................................... (3.3) ireq = iload .............................................. (3.4) En el modo 2 la celda de combustible entrega la energía que demanda la carga, sin embargo, el filtro activo debe de recargar la batería si se considera necesario, asegurándose de no exceder la máxima corriente que la celda de combustible puede proveer por la carga más la corriente ich que se necesita para recargar la batería, en conclusión el modo 2 deberá ser: iref = max [(iload – iav), - ich]................. (3.5) ireq = iload + ich ....................................... (3.6) El control consiste de un bloque de control de corriente por histéresis y los bloques A,B y C . El control de corriente por histéresis controla la corriente del filtro activo inyectada al bus para igualar a la corriente ireq, el bloque A calcula corriente necesaria para cargar la batería (ich), el bloque C determina la corriente de referencia del filtro activo iref basado en (3.1) y (3.3) y el bloque B determina la corriente requerida a la celda ireq de acuerdo a (3.4). 68

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3.4.5.2. Topología con convertidor CD/CD bidireccional y respaldo de batería. Lai [32] propone un esquema similar al anterior, el cual se muestra en la figura 3.26; en el primer modo de funcionamiento (modo elevador) tiene una batería de 12 volts cuyo voltaje es elevado por el convertidor bidireccional a 280 volts. Este voltaje alimenta al controlador del motor del compresor, en el modo reductor se requiere que el alto voltaje se convierta a un voltaje pequeño para recargar la batería de 12 volts.

Figura 3.26. Topología propuesta por Lai. [32] Los retos interesantes que se tienen en esta topología son requerimientos de alta potencia y alta corriente pico de carga y disponibilidad de dispositivos de alta potencia y bajo consumo de voltaje. 3.4.5.3. Topología usando supercapacitores. En aplicaciones donde es necesario tener alimentación continua, se usan medios que pueden suministrar esa energía requerida. Por lo general se usan métodos de almacenamiento convencionales, tales como bancos de baterías y que actúan en el momento en que el suministro de energía eléctrica se vea interrumpido. El uso de baterías para esas aplicaciones requiere en la mayoría de los casos medios de almacenamiento grandes y esto impacta en el costo de implementación. Entre las nuevas alternativas que se desarrollan están los supercapacitores que son dispositivos electroquímicos con altos valores de capacitancia y alcanzan densidades de energía muy altas de 4.5 Wh/kg y densidades especificas cercanos a los 3500 Wh/kg. Usando este tipo de dispositivos, es posible explotar ampliamente las ventajas que ofrece, tal como: rápidos tiempos de carga y descarga, ofrecen respaldo de energía para aplicaciones muy críticas donde la alimentación continua de energía se requiere aun en caso de falla del sistema principal de energía como lo puede ser la red eléctrica Entre las características más importantes están:

¾ ¾ ¾ ¾ ¾

Su composición se base en una doble capa entre la solución electrolítica y la superficie porosa. Almacenan energía electroestáticamente mediante la polarización de la solución electroquímica. No existen reacciones químicas en el proceso de almacenamiento de energía. Es un dispositivo de rápida descarga en comparación con los capacitores convencionales. Estos dispositivos permiten cargas y descargas cientos de veces.

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Figura 3.27. Supercapacitor para respaldo de energía. [52] A continuación se muestra una tabla comparativa que muestra las ventajas que tiene este dispositivo sobre la batería convencional. Tabla 3.3 Comparación entre el supercapacitor y los métodos de almacenamiento convencional. [52] Características de desempeño

Batería de plomo-ácido

SUPERCAPACITOR

Capacitor convencional

Tiempo de carga

1 a 5 horas

0.3 a 30 segundos

10-3 a 10-6 segundos

Tiempo de descarga

0.3 a 3 horas

0.3 a 30 segundos

10-3 a 10-6 segundos

Capacidad de energía (wh/kg)

10 a 100

1 a 10

<0.1

Tiempo de vida

1000 hrs.

>500000 hrs.

>500000 hrs.

Potencia especifica (w/kg)

< 1000

<10000

<100000

Eficiencia de carga/descarga

0.7 a 0.85

0.85 a 0.98

>0.95

La figura 3.28 muestra un ejemplo de una topología empleando supercapacitores que ofrece ventajas muy competitivas en comparación con los métodos de almacenamiento de energía convencionales.

Figura 3.28. Topología usando supercapacitores. [43] Como se observa en el diagrama anterior, la etapa de conversión de CD-CD consta de dos celdas de combustible en paralelo que usan convertidores elevadores, la etapa de conversión en el supercapacitor emplea un convertidor buck-boost bidireccional y un bus de CD de bajo voltaje, adicionalmente se emplea un convertidor CD/CD y un transformador de alta frecuencia para elevar el voltaje a un valor alto. [43]

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CAPITULO 3. LOS SISTEMAS DE ACONDICIONAMIENTO EN CELDAS DE COMBUSTIBLE Y SU ELECTRONICA DE POTENCIA ASOCIADA.

Operación. Al momento del arranque, las dos celdas de combustible cargan al supercapacitor a través del MOSFET S3 y el capacitor de CD de enlace también se carga; bajo condiciones normales de operación los dos convertidores elevadores alimentan aproximadamente solo el 10% de la energía promedio hacia la red. Sin embargo, cuando la carga cambia repentinamente, el sistema de respaldo de energía no es capaz de responder rápidamente a la demanda súbita de energía que se presenta debido al tiempo de retardo por el ajuste de flujo de combustible que se presenta por condiciones de sobrecarga. Si la demanda local de energía demanda más de la energía promedio instantánea, entonces dispositivos como los supercapacitores son empleados. La energía almacenada en el supercapacitor se puede usar para alimentar a la carga, en consecuencia se previene y se protege a la celda de combustible de posibles sobrecargas que puedan dañarla, es obvio que el retardo en la respuesta por la dinámica de la C.C. o la caída de voltaje son inevitables sin este sistema auxiliar de energía en condiciones de sobrecarga o cambios súbitos en carga. La etapa de conversión de esta arquitectura consiste en un inversor a base de IGBTs y genera una forma de onda senoidal de alta calidad de 120/240 V de salida, basado en un punto neutro producido por medio del interruptor S5 y S6 de manera controlada. Como conclusión podemos decir que los ejemplos antes mostrados, muestran el interés por investigar sobre topologías de conversión CD/CD y se hace evidente el esfuerzo realizado por diversos investigadores en abordar la problemática de la celda de combustible, en donde aspectos como dinámica lenta de la celda, voltaje no regulado son analizados en los esquemas vistos anteriormente. Por otro lado, la importancia de tener topologías eficientes con un número reducido de etapas, así como también alta densidad de potencia, bajo rizo de corriente de entrada, mínimo sobretiro de tensión, así como minimizar el efecto de la pulsatoriedad son detalles también estudiados y tomados en cuenta en el diseño de un convertidor CD/CD. La siguiente sección pretende ofrecer una alternativa de lo que puede ser un esquema que cubra los detalles antes mencionados. Hay que resaltar que ya se está investigando sobre el diseño de esquemas de conversión, actualmente se cuenta con dos tesis de maestría en desarrollo que cubrirán el diseño de una etapa acondicionadora de energía aplicable a sistemas basados en celdas de combustible. 3.4.6. Topologías alternativas. Los ejemplos abajo mostrados representan nuevos esquemas que están bajo desarrollo y tratan la problemática de la dinámica de operación de la celda de combustible, y se incorporan algunas aportaciones en el sentido de proteger a la celda, uso de aislamientos galvánicos, contra sobrecargas y demandas considerables de corriente, además de sustituir el uso de esquemas de respaldo de energía tradicionales como son las baterías y que son sustituidos por elementos de mayor capacidad, menor tamaño y una mejor respuesta 3.4.6.1. Topología con cargador de baterías aplicado a celdas de combustible. Otra posibilidad es una adaptación de una topología que incluye un sistema cargador de baterías que puede ser una buena alternativa, esto se debe a que se aísla galvánicamente la etapa de respaldo de batería de la C.C. y al mismo tiempo se aísla de la carga. Hay que hacer mención que se está desarrollando un trabajo de tesis en donde se propone una nueva topología que incorpore el aislamiento galvánico de la celda hacia el sistema de respaldo, y que también se aísle de la carga para brindar una mejor protección.

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LA TECNOLOGÍA DE CELDAS DE COMBUSTIBLE Y SU INTERFASE ELECTRÓNICA DE POTENCIA PARA APLICACIONES DOMÉSTICAS E INDUSTRIALES

De acuerdo a la topología original que plantea Aguilar [7], se incluye una etapa de respaldo y almacenamiento de energía mediante baterías en el lado de baja tensión. En este esquema se propone que se use una estructura simple basada en un convertidor Flyback, que es una derivación de una topología elevadora-reductora, y donde se añade un devanado más al inductor que permite obtener aislamiento. Tiene la ventaja de que es una estructura sencilla de implementar, además de que es adecuada para aplicaciones en baja potencia hasta (150 watts), dentro de sus desventajas es que normalmente se usan transformadores grandes y la tensión que deben de soportar los componentes es elevada. La figura 3.29 muestra la topología alternativa, en ella el convertidor puede aceptar 2 medios de alimentación: uno a través de la celda de combustible (fuente principal de energía) y la otra a partir de un banco de baterías. El convertidor consta de un convertidor principal (L2:L4, S4) y un convertidor respaldado por B1 (batería), L3:L4, S3). Además se incorpora un tercer interruptor que realiza la función de seleccionar el modo de operación del esquema y controla la corriente de recarga de la batería. El convertidor principal opera en situaciones en que la celda de combustible está entregando niveles óptimos de tensión de alimentación, mientras que el convertidor de respaldo (cargador de batería) opera en caso de falla de la celda o en condiciones donde la celda no pueda entregar niveles óptimos de voltaje. En cualquier situación la carga puede funcionar sin interrupción en caso de falla. La topología que se propone puede tener tres modos de operación: modo normal, modo cargador de baterías, modo respaldo. Dichos modos pueden ser determinados por el estado de línea y el estado de la carga de la batería, y son controlados por el interruptor S2 en combinación con S3. Mediante el interruptor S2 se puede también controlar la recarga de la batería y a su vez se protege contra picos de corriente que pudieran dañar a la batería.

Figura 3.29. Topología con cargador de baterías aplicado a celdas de combustible. [7]

3.5. Conclusiones del capítulo El capítulo resaltó la importancia que tienen la electrónica de potencia con la tecnología de C.C., se analizó el rol que tiene la etapa de conversión de CD/CD en los sistemas acondicionadores de energía aplicados a celdas de combustible y que es producto de las investigaciones realizadas por autores, con el propósito de ayudar a la celda de combustible en su dinámica de operación y compensar su variación en la tensión de salida, así como también tomar en cuenta los aspectos relacionados tales como : demanda de corriente a la celda, eficiencia, requerimiento de aislamiento (dependiendo del tipo de aplicación), rizo de demanda de corriente mínimo, evitar corrientes pulsantes.

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CAPITULO 3. LOS SISTEMAS DE ACONDICIONAMIENTO EN CELDAS DE COMBUSTIBLE Y SU ELECTRONICA DE POTENCIA ASOCIADA.

Se mostraron algunas topologías desarrolladas por algunos investigadores, las cuales tienen diversas formas de implementación y que toman en cuenta los aspectos antes mencionados; estas topologías pueden cubrir aplicaciones desde baja potencia hasta sistemas de alta potencia, el objetivo principal es implementar sistemas de acondicionamiento de energía eficientes, de alta densidad de potencia, bajo costo y con la menor cantidad de componentes posible con el fin de abaratar costo y tamaño. En cuanto al desempeño de los sistemas de conversión aplicados a celdas de combustible, se han identificado áreas de oportunidad y el objetivo es exponer una serie de recomendaciones y restricciones a tomar en cuenta en el diseño de dichas etapas. Por otro lado, las topologías que incorporan sistemas de respaldo de energía (baterías) tienen otra serie de restricciones que hay a tomar en cuanta como: sincronización con la etapa de conversión, buen acoplamiento de impedancias entre la batería y el convertidor entre otras, pero también se muestran alternativas que pueden mejorar el papel desempeñado por las baterías y que representa la tendencia hacia usar sistemas de respaldo eficiente y de buena respuesta.

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LA TECNOLOGÍA DE CELDAS DE COMBUSTIBLE Y SU INTERFASE ELECTRÓNICA DE POTENCIA PARA APLICACIONES DOMÉSTICAS E INDUSTRIALES

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CAPÍTULO 4. CONCLUSIONES Y TRABAJOS FUTUROS.

CAPÍTULO 4

CONCLUSIONES Y TRABAJOS FUTUROS.

E

l propósito de este capítulo es la presentación de las conclusiones obtenidas a lo largo del trabajo de investigación, las cuales son producto de la asimilación y comprensión de la información encontrada en la bibliografía y los artículos disponibles en Internet, así como de la opinión de expertos en las diferentes áreas relacionadas con la tecnología de Celdas de Combustible. Entre los retos que hoy en día se ha planteado la sociedad moderna es la de mejorar nuestra calidad de vida, mediante un desarrollo económico sustentable que permita avanzar tecnológicamente con el cuidado de nuestro medio ambiente. Una manera de apoyar esta nueva cultura ambiental es la investigación y desarrollo de nuevas tecnologías para la generación más eficiente de energía eléctrica y con impacto ambiental mínimo. Las celdas de combustible representan una buena opción que conjuga eficiencia con menor impacto sobre el ambiente; generando energía eléctrica a partir de una reacción electroquímica y la ventaja de sólo tener agua pura como subproducto. De hecho la tecnología de C.C. ha demostrado tener un buen desempeño en sistemas híbridos, y un éxito comercial con unidades operando más de 49,000 horas. Lo anterior se ha logrado con el concurso, entre otros factores, del impulso y desarrollo de infraestructura para el uso del hidrógeno y del desarrollo propio de la celda y sus componentes (Innovation Forecast of Fuel Cells,1998) teniendo, en consecuencia, una mejor plataforma para tener una tecnología eficiente y limpia al alcance de nuestra sociedad. El trabajo de investigación sobre celdas de combustible es muy amplio y extenso, existe mucho de él realizado a nivel mundial; países desarrollados como los Estados Unidos de Norteamérica tienen objetivos muy ambiciosos en cuanto al desarrollo y amplia aplicación de esta tecnología. El desarrollo de las C.C. ha estado vinculado a la participación de diferentes disciplinas del conocimiento; como lo es el desarrollo de la electrónica de potencia en el diseño de sistemas de alimentación eficientes aplicados a C.C., y el desarrollo de materiales que mejoren su desempeño, por ejemplo el incremento de la cinética de las reacciones con el desarrollo de los catalizadores, por citar sólo algunos ejemplos. 75

LA TECNOLOGÍA DE CELDAS DE COMBUSTIBLE Y SU INTERFASE ELECTRÓNICA DE POTENCIA PARA APLICACIONES DOMÉSTICAS E INDUSTRIALES

4.1 Conclusiones. Los siguientes apartados son las conclusiones que se obtuvieron en la investigación y fueron divididos en base a los puntos que se cubrieron en el documento de tesis; en cada uno de ellos se resaltan las perspectivas de investigación, el desarrollo y las oportunidades detectadas que pueden considerarse para futuros trabajos. 4.1.1. Celdas de combustible. Las celdas de combustible a través de su historia han tenido un desarrollo importante, desde su invención en 1839 por el científico galés William Grove, hasta los actuales desarrollos en diversas aplicaciones en baja, media y alta potencia. Si bien la celda es un dispositivo que procesa energía, tiene una ventaja en su operación muy importante, ya que, de acuerdo con datos arrojados por diversos fabricantes, los índices de emisión de contaminantes en sistemas basados en C.C. son mucho menores en comparación a los de otras formas de generación, ver tabla 4.1. La siguiente tabla puede ayudar a dar una idea más completa, de el por qué las celdas de combustible representan una alternativa muy viable de generación. Tabla 4.1. Tabla comparativa de tecnologías para generación de energía. TECNOLOGIA

MAQUINA DIESEL

MAQUINA DE GAS NATURAL

MICROTURBINA

MÁQUINA DE COMBUSTIÓN DE GAS

CELDA DE COMBUSTIBLE

Capacidad de generación

30kW – 6MW

30kW – 6MW

300kW – 400kW

0.5 – 30MW

100kW – 3MW

Eficiencia eléctrica

30 – 43 %

30 – 42 %

14 – 30 %

21 – 40 %

36 – 50 %

Eficiencia global

~80 – 85 %

~80 – 85 %

~80 – 85 %

~80 – 90 %

~80 – 85 %

Costo por mantenimiento $US/kW.

0.005 – 0.015

0.007 – 0.020

0.008 – 0.015

0.004 – 0.010

0.0019 – 0.0153

Ocupación en superficie Ft2/Kw.

0.22 – 0.31

0.28 – 0.37

0.15 – 0.35

0.02 – 0.61

0.9 (instalación modular)

Emisiones ambientales

NOX : 7-9 ppm CO : 0.3 – 0.7 Ppm

NOX : 0.7-13 ppm CO : 1 – 2 ppm

NOX : 9-50 ppm. CO : 9 – 50 ppm.

NOX : 9-50 ppm CO : 9 – 50 ppm.

NOX : <0.02 ppm. CO : <0.01 ppm.

La tabla anterior muestra algunas ventajas potenciales de la celda de combustible, en particular el rubro de emisiones ambientales. Aunque la información de la tabla muestra algunas desventajas de la celda como el elevado costo por instalación, esto se debe en gran medida a factores como: su introducción al mercado ha sido lenta y los materiales empleados son costosos, se espera que estos precios bajen gradualmente. La gran diversidad en el tipo de celdas ofrece una amplia gama de aplicaciones potenciales, que van desde teléfonos celulares hasta plantas generadoras de alta potencia. Por lo anterior, no se puede decir que una

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CAPÍTULO 4. CONCLUSIONES Y TRABAJOS FUTUROS.

celda sea mejor que otra, puesto que cada una posee características propias que la hacen adecuada a determinados usos, y ahí es donde radica una ventaja más sobre otras formas de generación de energía. En los párrafos siguientes se da en una forma resumida las características relevantes de cada uno de los diferentes tipos de C.C. Celda de combustible tipo PEMFC: es una celda que opera a una temperatura entre los 50°C y 80°C, su electrolito es una membrana intercambiadora de protones, tiene una larga duración, alta densidad de corriente, rápido arranque, electrolito sólido que representa facilidad en su manejo y transporte, cubre aplicaciones portátiles, plantas de tipo estacionario residencial y comercial. Celda de combustible tipo PAFC: fueron las primeras celdas en tener una aplicación práctica, su temperatura de operación de 220°C, usa ácido fosfórico como electrolito,, posee baja volatilidad en el electrolito a temperaturas por encima de los 150°C, tiene excelente estabilidad electroquímica y térmica, fabricación sencilla y robusta. Dentro de las aplicaciones, se usa en generación de energía eléctrica en comunidades alejadas e industria automotriz. Celda de combustible tipo SOFC: Opera entre los 800°C y los 1000°C que la hacen apta para aplicaciones en alta temperatura, tiene alta eficiencia, posee la ventaja de poder ser usada con reformador interno de combustible y se puede aprovechar mejor el calor generado para aplicaciones de cogeneración. Se usan electrolitos de tipo cerámico por su alta temperatura. Este tipo de celda es adecuada para aplicaciones en sistemas de generación de energía eléctrica de uso residencial y comercial, así como sistemas de uso industrial. Celda de combustible tipo AFC. Es una celda cuya temperatura de operación es a 250°C, emplea un electrolito de Hidróxido de potasio ,el cual es corrosivo; tiene un bajo sobrepotencial por activación, su electrolito relativamente barato, no son necesarios materiales preciosos en la elaboración de electrodos, tiene un excelente desempeño, permite el uso de varios tipos de electrocatalizadores. Celda de combustible tipo MCFC. Opera a una temperatura de 650°C, tiene bajos costos de fabricación, su proceso de reformación es interno y su electrolito (Carbonato fundido en estado líquido) es corrosivo y móvil, se obtienen altas eficiencias, su calor generado puede ser aprovechado para propósitos de cogeneración, no hay envenenamiento en el ánodo por el CO. 4.1.2. Aspectos operativos de las celdas de combustible. El desempeño de la C.C. es afectado por factores como temperatura, presión, composición de los gases, demanda de corriente; estos factores se ven reflejados en la curva de operación de la C.C, por tanto el punto de operación se mueve de acuerdo a la variación de los factores antes descritos. Se pueden seleccionar diversos puntos de operación de acuerdo a las necesidades y requerimientos variando los parámetros de operación de la celda. Sin embargo, generalmente es necesario establecer compromisos entre los parámetros de operación para satisfacer los requerimientos de la aplicación, los costos y el tiempo de vida de la celda. Por ejemplo, un punto de operación con una densidad de corriente elevada permitirá un tamaño de celda menor y un menor costo, pero da como resultado una eficiencia más baja del sistema, a causa de la tensión de celda más baja, con un correspondiente costo de operación alto. Si la operación de la celda se caracteriza por densidades de corriente bajas, una tensión alta y con ello una mayor eficiencia, los costos de operación serían menores.

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LA TECNOLOGÍA DE CELDAS DE COMBUSTIBLE Y SU INTERFASE ELECTRÓNICA DE POTENCIA PARA APLICACIONES DOMÉSTICAS E INDUSTRIALES

Por otro lado, el operar a mayor presión aumentará el rendimiento de la celda, disminuyendo los costos. Sin embargo, habrá un mayor consumo de energía para comprimir los reactantes y el mejoramiento de las características de las tuberías para resistir presiones más altas, redundando en el incremento del costo de la celda. En cuanto a los materiales empleados en las celdas, relacionados con su operación, en particular los electrolitos usados, estos pueden ser de muy variada naturaleza de acuerdo al tipo de celda, como se muestran en la tabla 4.2. Tabla 4.2 tipos de electrolitos empleados Celda de combustible

Tipo de electrolito usado

PEMFC

Nafion

AFC

KOH

PAFC

H3PO4

MCFC

carbonatos Li, Na, K

SOFC

(Zr3 Y)O2

Las características de un electrolito adecuado para la operación de la celda estarán relacionadas con una alta estabilidad a las temperaturas, elevadas conductividades (mayor a 0.1 Siemens/cm) y, si se trata de electrolitos tipo cerámicos, tener coeficientes de expansión térmica similar a los de otros materiales de construcción de la celda. Los catalizadores son otra área de la celda cuyas características tienen una gran influencia en su operación. Por ejemplo, una desventaja en el uso de platino es su susceptibilidad a la presencia de CO en la alimentación de hidrógeno, ya que es adsorbido en su superficie evitando su acción catalizadora. Es por ello que en las celdas PEMFC, la calidad del hidrógeno alimentado debe mostrar bajos contenidos de CO menores a 10 ppm. Es por esto que los desarrollos en catalizadores se centran en la sustitución del platino y en el mejor diseño de electrodos porosos de gas. Otro aspecto importante en la operación de la celda es la presencia o no de reformador de combustible ya sea interno o externo, impactando en el tipo de combustible que pueden ser utilizados, en el diseño del sistema y, por supuesto, en el costo de operación y el equipo. La operación de arranque de las celdas y el comportamiento de la celda a variación en la demanda de carga, son aspectos operacionales que deberán ser estudiados en forma particular para cada celda. 4.1.3. Los sistemas basados en celdas de combustible. De acuerdo con la opinión de algunos expertos, los mayores avances en generación de energía eléctrica a partir de tecnologías convencionales están representados por aquellos surgidos del programa ATS (Advanced Turbine Systems) del Departamento de Energía de los Estados Unidos, para sistemas de generación de ciclo combinado. Dichos avances han alcanzado límites históricos al conseguir diseños de sistemas de turbinas a gas con eficiencias que prometen mejoras de 15% en sistemas industriales. Estos sistemas modernos operarán a costos 10% menores que los actuales sistemas y reducirán los niveles de NOx, CO2, CO, e hidrocarburos no quemados según proyecciones del mismo ATS. [55]

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CAPÍTULO 4. CONCLUSIONES Y TRABAJOS FUTUROS.

Desde la perspectiva de generación de gases de efecto invernadero (CO2), las celdas de combustible representan un desarrollo potencialmente revolucionario, ya que en lugar de la combustión, se aprovechan para producir electricidad, agua y calor, las reacciones electroquímicas del hidrógeno y del oxígeno. Es también cierto que cuando una celda de combustible utiliza hidrocarburos como fuente de hidrógeno (gas natural, metanol, etanol, etc) generalmente requerirá una etapa de reformación para extraer el hidrógeno, proceso en el que se producirá CO2. No obstante, gracias a su capacidad de obtener altas eficiencias de conversión combustible/electricidad, las celdas de combustible producen la menor cantidad de CO2 que cualquier tecnología actual que utilice combustibles fósiles para generar electricidad. [Boosting Powerplant Efficiency, 1998]. Esto se muestra en la tabla 4.3 Tabla 4.3. Comparación entre tecnologías de turbinas y las tecnologías de celdas de combustible Primera Generación (2000-2010)

Generación Avanzada (posterior 2010)

Tecnología

Eficiencia combustible/electricidad (LHV)*

Reducciones en CO2

Eficiencia combustible/electricidad (LHV)*

Reducciones en CO2

Sistemas avanzados de turbina

60%

19%

65%

18%

Celdas de combustible

70%

32%

70%

27%

(*) LHV. Bajo poder Calorífico. Otra diferencia fundamental es la alta flexibilidad que tienen las celdas para aceptar una gran diversidad de combustibles, lo cual las ubica como una tecnología que permite una transición hacia tecnologías limpias y el uso de fuentes de energía renovables. No sólo son las tecnologías convencionales las que pueden beneficiarse de las ventajas de las celdas de combustible, también otros sistemas basados en fuentes renovables de energía pueden integrarlas en sistemas híbridos en donde, por ejemplo, biogás sea alimentado a la celda o bien celdas fotovoltaicas alimenten un electrolizador para generar hidrógeno y alimentar la celda de combustible. Estos sistemas híbridos mantendrían relaciones costo/beneficio en niveles interesantes gracias a las altas eficiencias de conversión de las celdas de combustible, lo cual significaría otro atractivo para impulsar un mayor desarrollo de tecnologías como la solar, la biomasa, la eólica, etcétera, que desafortunadamente pocas veces se consideran soluciones para demandas crecientes, limpias y eficientes de energía eléctrica. Otras tecnologías de celdas de combustible, usando metanol o gasolinas reformadas, que estrictamente no se considera como de cero emisiones han demostrado que sus emisiones de CO2 son significativamente menores que las de un motor de combustión interna y sólo existen trazas de otros contaminantes.[19], [55] Estos aspectos aunados a la mayor eficiencia en el uso de los combustibles, colocan a las celdas de combustible como una de las más viables, para ser el sistema de propulsión de los vehículos del futuro y la generación de energía, disminuyendo los impactos negativos de estas actividades humanas. Sin embargo existe un sector científico que considera que las celdas a pesar de que son una tecnología ventajosa, tienen muchos inconvenientes como: las fuentes de generación de hidrógeno no están 79

LA TECNOLOGÍA DE CELDAS DE COMBUSTIBLE Y SU INTERFASE ELECTRÓNICA DE POTENCIA PARA APLICACIONES DOMÉSTICAS E INDUSTRIALES

comercialmente disponibles hasta la fecha y son caras, el hidrógeno puro no existe en la naturaleza y debe de ser obtenido de otros procesos que pueden generar contaminación, el hidrógeno puede obtenerse del carbón que se quema para obtener electricidad, de hecho es la forma mas barata de generar electricidad, pero ésto representaría un incremento en el calentamiento global del planeta debido a la cantidad de dióxido de carbono que se generaría, entre otros. Una referencia más completa esta dada en la siguiente liga: [Futuro de las celdas de combustible] Según estimaciones del Departamento de Energía de los Estados Unidos, por cada 1 MW de electricidad generado por celdas de combustible se podrían reducir las emisiones de SO2 y NOX en ese país en cien mil y cuarenta mil libras anuales, respectivamente. Tomando en cuenta los desarrollos de los sistemas de generación de energía eléctrica a base de C.C, se puede recomendar lo siguiente: Incentivar el uso de fuentes de energías renovables y su utilización en C.C, investigarse más en los métodos de procesamiento y almacenamiento de hidrógeno en vías de reducir costos que hagan viable su utilización en C.C. para que resulte barato y viable con respecto al precio actual de los demás combustibles. Encontrar catalizadores que funcionen a más bajas temperaturas y a bajo costo, es una prioridad. De la misma forma, abaratar los costos de las membranas poliméricas, o encontrar otra forma de movilizar los iones de Hidrógeno. Las celdas de combustible representan una buena alternativa donde la alimentación debe de ser continua en aplicaciones como hospitales o equipos que requieren ser suministrados de electricidad constantemente. Generalizar el uso de sistemas a base de C.C. para cogeneración de energía eléctrica y térmica, así como en calefacción y refrigeración de interiores. 4.1.4. Problemas a resolver La barrera principal para comercializar C.C. es su costo de producción. Hoy día, el costo de fabricación de cualquier sistema de C.C. es más alto que el de equipos equivalentes con tecnología convencional. Esto se debe a diferentes factores. Actualmente no existe una gran economía de volumen para las celdas de combustible ya que se producen pocas unidades. Por otra parte, las unidades que se están produciendo son de baja potencia comparada con los sistemas convencionales, lo que resulta en una pobre economía de escala. La construcción de las celdas ha tenido lugar en laboratorios, no en fábricas, por este motivo no han sido aún desarrolladas las técnicas para la optimización de la producción. La complejidad de los sistemas de C.C. y los dispositivos requeridos para operarlas presentan complicaciones de diseños que contrastan con la simplicidad propia de las celdas de combustible. Materiales de alto costo, especialmente el uso de metales preciosos para catalizar las reacciones internas, son excesivamente caros. Otra barrera es la escasa flexibilidad respecto del combustible. Las celdas de combustible operan óptimamente con hidrógeno puro. Sin embargo, deberían ser capaces de utilizar combustibles de hidrocarburos fósiles para que se constituyan en un producto comercial viable. Por último, no se tiene un uso masivo de las celdas y aun no se cuenta con la aceptación del público en general. Todos estos problemas surgen a raíz de importantes dificultades técnicas que deben ser solucionadas antes de su producción en gran escala, a nivel comercial. El mercado tiende a ser precavido en cuanto a la incorporación de nuevas tecnologías sin probar su viabilidad práctica. Por ende, el desarrollo de unidades prácticas de bajo costo, de bajo nivel de contaminación, con flexibilidad de combustible son elementos necesarios para la reducción de costos.

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CAPÍTULO 4. CONCLUSIONES Y TRABAJOS FUTUROS.

Por otro lado, diferentes técnicas y procesos de manufactura deben ser puestos a punto para permitir celdas económicas con altos volúmenes de producción. Además, para incrementar la flexibilidad de uso de combustible se requieren reformadores más eficientes e innovaciones que reduzcan el costo del proceso tradicional de reformado de combustibles. El avance de sistemas integrados de C.C. inducirá futuras innovaciones. Por ejemplo, los sistemas que incluyen C.C. de alta eficiencia junto con tecnología de cogeneración y sistemas híbridos de celdas con máquinas térmicas, podrían ofrecer beneficios adicionales. Las aplicaciones de unidades estacionarias de celdas de combustible requerirán del desarrollo de inversores de potencia y de tecnologías de conexión a redes de bajo costo, fiables y eficientes. Complementariamente, deben ser aplicadas técnicas de control para obtener una operación confiable y económica de las celdas de combustible y para producir energía de alta calidad. A su vez, deberá considerarse la optimización y los costos de elementos tales como bombas, válvulas, conductos, controles y electrónica de potencia. Para aplicaciones de las celdas de combustible al transporte, los desarrollos más importantes involucran la manipulación y el procesado del combustible. Otros elementos que afectan la comercialización de las celdas de combustible incluyen las regulaciones y legislaciones gubernamentales aún no determinadas que especifiquen el emplazamiento, cobertura de seguro y la certificación de los productos de C.C. La introducción de dichos productos dependerá a su vez de características económicas tales como la tasa de depreciación y la manera en que los bancos otorguen dinero para la compra de celdas. Además, las leyes regulatorias sobre contaminación podrían ser más restrictivas en el futuro, lo que conduciría a la instalación y casi uso obligatorio de C.C. Otro hecho que facilitaría la inserción de las celdas de combustible en el mercado serían los créditos y financiaciones subsidiados por el gobierno tendientes a la reducción de gases que contribuyen al cambio del clima global, tal como el dióxido de carbono. 4.1.5. La electrónica de potencia aplicada a los sistemas basados en celdas de combustible. La electrónica de potencia aplicada a celdas de combustible, tiene un amplio campo de desarrollo y durante este trabajo de investigación, se analizaron algunas de las topologías que se implementan para diferentes tipos de aplicaciones. En los sistemas de potencia aplicados a celdas de combustible, la etapa de conversión CD/CD es la responsable de regular la tensión de salida de la celda, por lo tanto su diseño debe de considerar las siguientes especificaciones: Demanda de corriente a la celda: el convertidor debe minimizar la dinámica lenta de respuesta que se presenta al momento de que a la celda se le demande corriente y cuya desventaja principal es su variación en el voltaje de salida. Eficiencia: uno de los puntos más importantes, es el impacto en la eficiencia global del sistema, y por ello, al momento de considerar un diseño que involucre convertidores, hay que considerar los posibles impactos en las etapas implementadas. Requerimiento de aislamiento: en sistemas basados en celdas de combustible es esencial tener protegida a la celda contra cualquier problema (ya sea sobrecarga de tensión, demandas de corriente excesivas que puedan dañarla). En los convertidores, las estructuras no aisladas se suelen utilizar en convertidores para cargas finales, siempre en aplicaciones con un bus de distribución de potencia, el cual suministrará una

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LA TECNOLOGÍA DE CELDAS DE COMBUSTIBLE Y SU INTERFASE ELECTRÓNICA DE POTENCIA PARA APLICACIONES DOMÉSTICAS E INDUSTRIALES

tensión a todas las secciones del equipo, de manera que dicho bus estará aislado respecto a la entrada principal. De todas maneras colocar un aislamiento entre entrada y salida permitirá concebir estructuras de varias salidas, así como el cumplimiento de normas de seguridad. Rizo de corriente mínimo y pulsos de corriente: las topologías de conversión CD/CD tiene el problema de un rizo de corriente de entrada, además de considerar una pulsatoriedad de corriente, esto se debe en cierta medida a la operación del dispositivo conmutador. Ésto supone más ruido y más radiaciones electromagnéticas y esto no conviene a la celda. 4.1.5.1. Diferentes tipos de topologías Topologías no aisladas: tiene diseño simple y sencillo, brinda protección contra corto circuito, no presenta corriente pulsante en la entrada (aspecto de mucha importancia, ya que la celda de combustible es susceptible a las corriente pulsantes), pueden alcanzar eficiencias altas debido a que son etapas sencillas. Tienen desventajas como mala respuesta transitoria, este aspecto no es conveniente en una C.C ya que su dinámica de operación presenta serias variaciones, no se recomienda usarla en sistemas donde la demanda de corriente y potencia sean altas. Topologías aisladas: cubren el aspecto de aislamiento galvánico hacia la celda, y con ello cumplen con normas de seguridad, ahora bien, dentro de los esquemas no aislados existen varias topologías que pueden ser aplicadas a sistemas basados en C.C.: Por ejemplo el convertidor tipo push-pull es sencillo de implementar, opera con transformadores pequeños (operación a alta frecuencia) que reduce su costo, están limitados a aplicaciones de baja y mediana potencia, su desventaja es que tienen corriente pulsante a la entrada. En los convertidores medio puente y puente completo, son otras alternativas que son adecuadas a aplicaciones en alta potencia, pero tienen la desventaja de trabajar con transformadores de baja frecuencia, lo que impacta en el costo y en el tamaño del sistema. El convertidor Flyback es otra topología sencilla y barata de implementar, pero presenta un elevado rizo de tensión a la salida, de aquí que se debe diseñar un buen filtrado a la salida, no es necesario tener un sistema de reestablecimiento en el transformador (a diferencia del convertidor tipo Forward), este convertidor es adecuado para bajas potencias. Los convertidores elevadores-reductores son topologías sencillas, su inconveniente es precisamente que posee corriente pulsante en la entrada y en la salida, por lo que, si se considera el uso de este esquema, se tendrá que considerar la implementación de etapas adicionales para no tener problemas con las corrientes pulsantes. Si se emplean sistemas de respaldo, baterías, la sincronización entre el banco de baterías y la topología es critica. El uso de baterías agrega que el tamaño del sistema crezca de manera considerable y tiene como resultado el manejo de altas corriente, otra de sus características es que sufren problemas de estrés en los componentes. Como conclusión en este punto referente a los convertidores CD/CD aplicados a celdas de combustible, se puede entonces proponer de manera general una posible topología que cumpla los siguientes requerimientos: 1. 2. 3. 4.

Alta eficiencia. Minimizar el rizo de corriente Buena respuesta ante cambios en carga. Evitar corrientes pulsantes a la entrada y salida.

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CAPÍTULO 4. CONCLUSIONES Y TRABAJOS FUTUROS.

La figura 4.1 muestra un posible esquema a implementar.

Figura 4.1 Esquema deseado para un sistema acondicionador de energía para celda de combustible considerando respaldo de energía auxiliar. Las consideraciones de diseño propuestas en las topologías de cierta manera atacan los problemas que envuelven a la celda pero en los casos aquí presentados se observan algunas desventajas, como el uso de baterías de alto voltaje, número de etapas impactan en la eficiencia. Como se observa en la figura 4.1 , es necesario en primer lugar que en cualquier diseñote un convertidor aplicado a C.C. se tenga un aislamiento galvánico entre la celda y la carga y entre el sistema de respaldo de energía y la carga con el propósito de cumplir con normas de protección, segundo, considerar dispositivos de almacenamiento de energía que sean baratos, buena respuesta ante transitorios de carga, y tercero, tener un control que permita comunicación con la celda para poder regular sus parámetros de operación (temperatura, flujo de combustible) y mantener un voltaje sin que se presenten caídas considerables en la tensión de salida. En cuanto al establecimiento de normas y estándares aplicables a celdas de combustible cabe comentar que existen organizaciones que empiezan a publicarlos, entre las cuales están ANSI, NFPA, DoE, ASME e IEEE, el propósito es contar con normas de calidad que regulen los sistemas y normalizar el uso de esta tecnología.[15] 4.1.6. Perspectivas futuras. La tecnología de las celdas de combustible está al borde de una revolución. Una vez que los laboratorios de investigación, las agencias de gobierno y las grandes corporaciones hayan eliminado las complicaciones técnicas asociadas a esta tecnología, el uso comercial extensivo de las celdas de combustible se hará evidente. Las plantas de energía basadas en C.C irrumpirían en el mercado de las centrales de producción eléctrica, donde actualmente el costo competitivo se aproxima al que demanda el mercado. Dentro de algunos años, muchas compañías transformarán sus unidades de demostración en plantas completamente comerciales reduciendo costos y haciendo disponible y accesible esta tecnología para uso general. Es probable que las aplicaciones para vehículos de C.C. sigan los patrones del mercado de las plantas estacionarias. Gracias a su alta eficiencia, sus costos de instalación cada vez menores y el reconocimiento público en incremento, las celdas eliminarían a los motores de combustión interna en los automóviles de todo el mundo. En poco tiempo esta potente tecnología alcanzará su madurez. Cuando esto ocurra, surgirán nuevas aplicaciones. Estamos muy cerca de la producción de energía con emisión de contaminantes casi nula. Podríamos decir lo mismo de las redes eléctricas distribuidas que suministran energía en partes remotas del planeta, y de la posibilidad para las naciones de proveer energía a infraestructura emergente,

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LA TECNOLOGÍA DE CELDAS DE COMBUSTIBLE Y SU INTERFASE ELECTRÓNICA DE POTENCIA PARA APLICACIONES DOMÉSTICAS E INDUSTRIALES

eliminando plantas centralizadas voluminosas y contaminantes, e instalando redes de energía distribuida limpias y eficientes implementadas con tecnología de celdas de combustible. 4.1.7. Perspectivas de la situación nacional e internacional. Se ha mencionado a lo largo de este documento, la situación que guardan las investigaciones sobre el desarrollo en celdas de combustible. Hay una realidad a tomar en cuenta, y es que al paso de los años el petróleo dejará de ser un recurso energético disponible, y por tanto es importante desarrollar nuevas formas de generación que permitan una transición hacia el desarrollo de aplicaciones con fuentes de energía renovables, las celdas de combustible representan una gran oportunidad. La investigación en el país sobre celdas de combustible está en fase temprana, existen instituciones de investigación que están desarrollando proyectos sobre celdas de combustible. Entre las instituciones que desarrollan investigación sobre celdas de combustible están: CIDETEQ [Centro de Investigación y Desarrollo Tecnológico en Electroquímica]. Actualmente esta institución trabaja en dos líneas de investigación referentes a C.C. que son: desarrollo de celdas de membranas y desarrollo de electrodos. CIE [Centro de Investigación en Energía]. Dentro de sus líneas de investigación esta la conversión y Almacenamiento de Energía: Solar-Hidrógeno-Celdas de Combustible, dentro de las cuales se trabaja en desarrollo de materiales para dispositivos ópticos y optoelectrónicos; Caracterización de materiales; Desarrollo de Fotodetectores, celdas solares, generadores termoeléctricos, controladores de radiación solar; Elaboración y caracterización de películas delgadas semiconductoras para la elaboración de celdas solares; y Preparación y caracterización de fotocátodos para la producción de hidrógeno, utilizando el electrodepósito como técnica de elaboración. IIE [Instituto de Investigaciones Eléctricas]: El Grupo de Electroquímica y Corrosión, tiene desarrollos e investigaciones entre las cuales están generación de hidrógeno vía electrolisis y fuentes renovables de energía, desarrollo tecnológico de ensambles de membrana electrodo (MEA), evaluación de monoceldas de combustible tipo PEM y comparaciones de apilados de celdas de combustible tipo PEM contra sistemas comerciales. En particular, el grupo tiene por objetivo establecer convenios de cooperación con otras instituciones e impulsar el desarrollo de celdas de combustible en diversas aplicaciones. A nivel mundial existen dependencias de gobierno de diversos países que están apostando por esta tecnología. Algunos de los cuales son el Departamento de Energía de los Estados Unidos de Norteamérica [www.doe.gov], este departamento está dedicado a la investigación sobre fuentes renovables de energía y diversas formas de obtención, es líder mundial en investigación y cuenta con un soporte financiero importante del gobierno de los Estados Unidos. Para concluir este punto, se puede comentar que el desarrollo de las celdas de combustible, tiene un futuro promisorio y representa una oportunidad de transición hacia otras formas de generación de energía, en donde se observa que la preocupación principal es el desarrollo de tecnologías libres de emisiones contaminantes y que tengan alta eficiencia. 4.1.8. Disponibilidad actual. Es muy probable que futuras aplicaciones de las celdas de combustible en los EE.UU. constituyan una fracción importante de las unidades de energía estacionaria distribuida. Estas unidades serán instaladas donde el suministro de energía mediante red es costoso o impracticable, como sucede en ubicaciones remotas, o donde es importante la sobrecarga y la fiabilidad. A su vez, se instalarán C.C. donde se requiera de un cuidado muy intensivo de la calidad de la energía, como sucede en laboratorios computarizados.

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CAPÍTULO 4. CONCLUSIONES Y TRABAJOS FUTUROS.

Además, las celdas podrían jugar un papel muy importante en la producción de energía en automóviles híbridos a medida que comience la venta de vehículos sin emisiones contaminantes ("zero emission vehicles"). Finalmente, los habitantes podrán comprar C.C. para sus hogares en un futuro cercano para disponer de energía eléctrica limpia, fiable y eficiente. El gas natural actualmente suministrado a las viviendas podría ser reformado en hidrógeno para alimentar las celdas de combustible. En la escala internacional, muchos países están intentando electrificar las zonas más remotas para incrementar su base económica. Ya que muchos de éstos no cuentan con una extensa red eléctrica, la generación de energía distribuida para la cual las celdas de combustible son especialmente útiles, puede cumplir un papel importante en el logro de sus objetivos. Para instalaciones remotas el abastecimiento presenta costos asociados competitivos respecto a la distribución de energía por red. La voluminosa infraestructura de transmisión de energía puede ser reducida de la misma manera en que los sistemas de teléfonos celulares, que evitan la instalación de líneas telefónicas, están superando el uso de los sistemas de telefonía tradicionales en muchos países.

4.2 Trabajos futuros en CENIDET. Hay una gran oportunidad de investigación en el campo de las celdas de combustibles, y aprovechando las capacidades del CENIDET, se pueden generar trabajos de investigación en la institución, aquí se muestran algunas de las posibilidades de poder enfocar dicha investigación a trabajos de tesis en nuestra institución Electrónica de potencia: como se mencionó en párrafos anteriores, la importancia del desarrollo de la electrónica de potencia aplicada a celdas de combustible, tiene un potencial de crecimiento importante, y de acuerdo a las restricciones y a la forma de operar de la celda, se sugiere el diseño de topologías de alta densidad de potencia, con buena respuesta dinámica antes cambios súbitos en corriente y controlar la respuesta dinámica de la celda de combustible. Actualmente podemos mencionar que existe un trabajo de tesis de maestría enfocada al desarrollo de una topología con cargador de baterías enfocada a celdas de combustible. Los sistemas comerciales y los sistemas de transporte, son los que mas se han visto beneficiados con el desarrollo de la electrónica de potencia aplicada a celdas de combustible, pero también es factible el desarrollo de topologías orientadas a aplicaciones en baja potencia (ejemplos: teléfonos celulares, agendas electrónicas, computadoras portátiles) y en donde el manejo de voltaje pequeños es un aspecto relevante).

Figura 4.2. Etapa de potencia en un sistema generador de energía, aplicado a celdas de combustible. [38]

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LA TECNOLOGÍA DE CELDAS DE COMBUSTIBLE Y SU INTERFASE ELECTRÓNICA DE POTENCIA PARA APLICACIONES DOMÉSTICAS E INDUSTRIALES

Control: el control de variables internas de la celda (flujo de combustible, temperatura, etc) ó uso de leyes de control son otro aspecto a desarrollar, hoy en día, los sistemas incorporan sensores que permiten monitorear las variables antes mencionadas, también es interesante el desarrollo de modelos no lineales que permitan una aproximación matemática más exacta de la dinámica de operación de la celda de combustible. En este contexto hay que mencionar que se está desarrollando también un trabajo de tesis de maestría en el departamento de Mecatrónica que consiste en emular el comportamiento de la celda de combustible mediante la implementación de un modelo electroquímico. CENIDET cuenta con una línea de investigación en control y en colaboración con el departamento de Mecatrónica, desarrolla actualmente un proyecto sobre el control dinámico de C.C. para establecer parámetros sobre el comportamiento de la celda, de igual forma es interesante desarrollar proyectos donde la celda se involucre en régimen de cogeneración y desarrollar esquemas de control que monitoreen variables como calor aprovechado y emplear el calor generado para alimentación de algún sistema o turbina.

Figura 4.3 Diagrama esquemático de un sistema a base de celda de combustible en régimen de cogeneración. Mecánica-Mecatrónica. Una línea de investigación interesante sería empezar a desarrollar aplicaciones con celdas de baja y mediana potencia y poder evaluar su comportamiento y desempeño. También se propone el estudio de las celdas de combustible aplicadas en régimen de cogeneración en donde se busca tener un mejor aprovechamiento del calor generado.

Figura 4.4. Sistema fotovoltaico-electrolizador (proyecto del IIE).

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Sitio

Sitio

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de

Internet

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de

de

ANEXO.

ANEXO

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LA TECNOLOGÍA DE CELDAS DE COMBUSTIBLE Y SU INTERFASE ELECTRÓNICA DE POTENCIA PARA APLICACIONES DOMÉSTICAS E INDUSTRIALES

GLOSARIO DE TERMINOS APLICADOS A LAS CELDAS DE COMBUSTIBLE. ACTIVACION Química Es el tratamiento de una sustancia mediante calor, radiación o por la activación de un agente químico para producir una reacción química o un cambio físico más rápido. Eléctrica Es el proceso de tratar un cátodo para aumentar su velocidad de reacción. ACTIVACION (POLARIZACION) La polarización por activación se presenta cuando la velocidad de la reacción electroquímica en la superficie del electrodo es controlada por la cinética inactiva del electrodo. Este efecto es similar en las reacciones químicas donde los reactivos que intervienen deben superar una barrera de la activación. En las celdas de combustible, esta región es caracterizada por una caída de potencial del voltaje teórico o voltaje ideal ante un flujo del electrón o del ion. ACONDICIONADOR DE POTENCIA Es el subsistema que convierte la energía proveniente de la celda de combustible (voltaje de CD) a un voltaje de CD o de CA que sea compatible con los requerimientos del sistema. AIRE Es la mezcla del oxígeno, nitrógeno y de otros gases, que con cantidades de vapor de agua que varían, forman la atmósfera de la tierra. ANODO Es el electrodo en el cual ocurre la oxidación. Para las celdas que generan potencial, es también el electrodo hacia el cual el ion negativo fluye. APLICACIÓN Cualquier dispositivo que utilice energía para producir la luz o calor o movimiento. APLICACIÓN DE COGENERACIÓN Una aplicación autónoma que integra dos o mas formas de generación de energía, y que esta aprovisionada de combustible que proporciona energía eléctrica y energía termal para ser usada en aplicaciones remotas o en su lugar de localización. APILAMIENTO Es el proceso de colocar celdas de combustible individuales una junto a otra, para formar un apilamiento (normalmente conectadas en serie). AISLADO (MODO) Es el modo de operar en una fuente de energía, con una porción de su sistema eléctrico separado del resto de la red eléctrica.

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ANEXO.

BALANCE DE PLANTA Es el sistema circundante que se compone de elementos auxiliares que proporcionan los elementos necesarios para que la celda trabaje adecuadamente. BIPOLAR (PLATO) Es el plato conductivo en una celda de combustible, que actúa como ánodo de una celda y como cátodo de la celda adjunta. Este plato esta hecho de un polímero conductivo, el plato bipolar usualmente incorpora canales para un mejor flujo del hidrógeno y oxígeno. CATALIZADOR Es una sustancia química que aumenta la velocidad de una reacción sin ser enteramente consumido. El catalizador tiene como función adicional disminuir la energía de activación requerida, permitiendo que la reacción suceda más rápidamente. CATODO Es el electrodo en la cual la reacción de reducción ocurre. CELDA Área activa Es la superficie de área de una celda individual que esta disponible para la reacción química. El área activa es típicamente menor que el área total de la celda y esto es debido a que se necesita cierta parte del área para sellado y colocar mecanismos que refresquen a la celda. Componentes Son las subestructuras dentro de la celda que soportan la reacción, proveen una estructura física, recibe y distribuye los reactivos a lo largo de la estructura, disipa calor y desempeñan otras funciones necesarias para la operación de la celda de combustible. Pérdidas por resistencia interna Las pérdidas que se presentan en la celda debido a resistencia, se deben a que las estructuras internas crean oposición al flujo de los electrones y los iones. El impacto más notable es visto en la región de operación de la celda en donde ocurre la activación. Tiempo de vida Es el periodo de tiempo que la celda puede ser usada para producir energía. Densidad de potencia Es la cantidad de potencia que se puede producir por unidad de medida, para una celda sencilla, típicamente se mide en kW (kilowwatt) por centímetro cuadrado o metro. Presión diferencial Es la diferencia de presión a través de electrolito, medida de un electrodo a otro. CELDA DE COMBUSTIBLE Es un dispositivo electroquímico que convierte continuamente la energía química de un combustible y un oxidante a energía eléctrica; el combustible y el oxidante

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LA TECNOLOGÍA DE CELDAS DE COMBUSTIBLE Y SU INTERFASE ELECTRÓNICA DE POTENCIA PARA APLICACIONES DOMÉSTICAS E INDUSTRIALES

son almacenados en forma externa de la celda y transferidos dentro de la celda como reactantes. CELDA DE COMBUSTIBLE ALCALINA (AFC) Es un tipo de celda de combustible, en la cual el electrolito es hidróxido de potasio (KOH) concentrado, entre 35 a 85 % de su peso dependiendo de la temperatura y los iones hidróxidos (OH − ) son transportados del ánodo al cátodo. CELDA DE COMBUSTIBLE DE METANOL (DMFC) Es un tipo de celda, en la cual el tipo de combustible es metanol (que puede estar en forma gaseosa o en forma líquida), el metanol es oxidado directamente en el ánodo (no existe reformación para obtener hidrógeno). CELDA DE COMBUSTIBLE DE CARBONATO FUNDIDO Es una celda de combustible que consiste de un electrolito de carbonato, en el cual el CO32 − es transportado del ánodo al cátodo, opera a temperaturas alrededor de los 650°C. CELDA DE COMBUSTIBLE DE ACIDO FOSFORICO Es un tipo de celda de combustible con un electrolito que consiste en un ácido fosfórico concentrado (H3PO4) y protones (H+), que son transportados del ánodo al cátodo, su rango de temperatura esta en el rango de los 160°C a los 220°C. CELDA DE COMBUSTIBLE DE MEMBRANA DE INTERCAMBIO PROTONICO Es un tipo de celda (basada en un ácido) que consiste de un intercambio de protones del ánodo al cátodo, que se logra con una membrana sólida impregnada de un ácido. El electrolito es llamado membrana intercambiadora de protones. Esta celda opera a bajas temperaturas (<100°C) y presiones bajas (<5 atm). CELDA DE COMBUSTIBLE DE OXIDO SÓLIDO. Es un tipo de celda de combustible, en la cual el electrolito es metal sólido, no poroso, típicamente dióxido de zirconio ZrO2, contaminado con Y2O3 . Su temperatura de operación típicamente esta entre los 800°C y los 1000°C. CELDA DE COMBUSTIBLE REVERSIBLE Es un tipo de celda de combustible en la cual los reactivos químicos experimentan reacciones reversibles, tal que la celda se puede recargar con una fuente de energía externa. Por ejemplo, la celda de combustible de hidrógeno/oxigeno puede ser recargada proporcionando hidrógeno del procesos de electrólisis del agua. CIRCUITO ELECTRICO Alto voltaje Es un circuito que opera a un valor mayor a 600 volts (aplicaciones en celdas de combustible) Bajo voltaje Es un circuito cuyo rango de operación está entre 31 y 600 volts. Muy Bajo voltaje Un circuito que opera por debajo de los 30 volts.

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ANEXO.

COGENERACION Es la producción simultánea de energía eléctrica y de procesos de vapor o calor de una misma fuente de energía. COMBUSTION Es la rápida oxidación de un combustible acompañado por la producción de calor. CONDICIONES ESTANDAR Son las condiciones de prueba que han sido predeterminadas para obtener un conjunto de datos validos. Los condiciones que se consideran son las siguientes: flujo de combustible, flujo de oxidante, temperatura, presión, área de los electrodos. COLECTOR DE CORRIENTE Es un término usado para describir el material conductivo que en la celda de combustible recolecta los electrones (en el lado del ánodo) o distribuye electrones (en el cátodo). Los colectores de corriente son microporosos (para permitir el flujo a través de ellos) y están entre la superficie electrodo / electrolito y en los platos bipolares. CORRIENTE Densidad Es una función que describe la magnitud y dirección del flujo de carga por unidad de área, generalmente expresada en amperes por metro cuadrado. Eléctrica Es la transferencia neta de la carga eléctrica por unidad de tiempo, expresada en amperes COMBUSTIBLE Es una material usado para crear calor o energía, a través de una conversión química en un proceso que puede ser de combustión o electroquímico. CURVA DE POLARIZACION Es la gráfica que determina el voltaje de salida de la celda en función de su densidad de corriente (V vs. A/cm2), la curva es obtenida bajo condiciones estables y variables de operación estándar. DENSIDAD DE POTENCIA En el contexto de una celda sencilla, la densidad de potencia se mide a menudo de potencia / por unidad de área activa de la celda (kW/m2), ahora bien en el contexto de un apilado de celda de combustible, la densidad de potencia se podría medir en términos de kW/m3. DIFUSION Es el movimiento de especies bajo la influencia de un gradiente de potencial químico (por ejemplo: gradiente de concentración). EFICIENCIA Es una medida (normalmente un cociente) de la energía útil provista de un sistema dinámico contra la energía total provista durante un periodo de operación.

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LA TECNOLOGÍA DE CELDAS DE COMBUSTIBLE Y SU INTERFASE ELECTRÓNICA DE POTENCIA PARA APLICACIONES DOMÉSTICAS E INDUSTRIALES

EFICIENCIA ELECTRICA Es el cociente entre la energía eléctrica de salida útil y la energía de entrada total de la corriente eléctrica. EFICIENCIA TERMICA Es la eficiencia con la cual la fuente de poder transforma el potencial de calor en trabajo o en energía de salida, es expresada como un cociente del trabajo realizado por la fuente de energía en un intervalo de tiempo dado. ELECTRODO Es un conductor eléctrico a través del cual una corriente eléctrica se incorpora o deja un medio, ya sea una solución electrolítica, un sólido, una masa fundida, un gas, o un vacío. ELECTROLITO Es un conductor no metálico, por medio del cual se transporta la corriente a través del movimiento de iones. FILTRO Es un dispositivo cuya función es remover material sólido de un medio como puede ser aire o fluido. GAS Es un gas combustible, tal como: gas natural, gas licuado. GAS NATURAL Una mezcla gaseosa naturalmente que se obtiene de los componentes simples del hidrocarburo (sobre todo metano) usados como combustible para la producción de la corriente eléctrica. GAS REFORMADO Es el fluido en el cual existe un combustible reformado, y que se alimenta al apilado de la celda de combustible. HIDROCARBURO Es un componente químico que consiste de hidrógeno y carbón, y que se obtiene de las estructuras enlazadas tales como: petróleo, metano, propano, butano. IMPUREZAS Son materiales extraños e indeseables en una sustancia pura o en una mezcla. MEMBRANA Es la capa separadora en una celda de combustible, que actúa como electrolito (intercambiador de iones), así como una especie de barrera delgada que separa los gases en los compartimentos del ánodo y el cátodo de la celda de combustible. MEMBRANA (ENSAMBLE) Es una estructura que consiste de una membrana de intercambio protónico con una superficie cubierta de capas de catalizador y carbón, y colocada entre dos capas microporosas conductivas.

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ANEXO.

PERDIDAS ÓHMICAS Son las perdidas creadas por la resistencia al flujo de los iones en el electrolito, y a la resistencia al flujo de electrones a través del electrodo y los materiales del plato bipolar, debido a que ambos casos obedecen a la ley de ohm, las pérdidas óhmicas se pueden expresar como : VOHMICO = iR. PLATO SEPERADOR Es una pieza sólida de un material conductivo (usualmente metal o grafito) que es colocado entre el apocamiento de la celda. POTENCIA ESPECÍFICA Es la medida de la potencia generada por el potencial de almacenamiento de un sistema por unidad de peso, sus unidades son (kW/kg) PRESION Es la fuerza ejercida contra un cuerpo en oposición o por el empuje distribuido por una superficie expresada en fuerza por unidad de área Absoluta Es la presión por encima del valor cero de presión, o la suma de las presiones atmosféricas y de las galgas. Atmosférica Es la presión del peso del aire y del agua de vapor en la superficie de la tierra al nivel de mar, cuyo valor es 29.92 pulgadas (760 mm) de una columna de mercurio o 14.69 libras por pulgada cuadrada (101.3 kPa). Barométrica Es la presión atmosférica determinada por un barómetro, usualmente expresada en pulgadas (o mm) de mercurio. Vacío Cualquier presión menor que la ejercida por la atmósfera

PRESIÓN DE OPERACIÓN Es la variable (presión) a la cual el sistema opera en respuesta a las condiciones variables de operación POTENCIAL DE NERNST Es el potencial correspondiente al equilibrio reversible del hidrógeno a cierta presión y su correspondiente nivel de actividad iónica del hidrógeno. PLANTAS DE PODER ESTACIONARIAS Son una fuente de energía que permanece en una localidad REFORMADOR Es un dispositivo, que tiene la función de generar una reacción química para obtener hidrogeno puro a partir de hidrocarburos, y que es empleado en la celda de combustible. RIZADO DE CORIENTE Es la componente de CA indeseable de una corriente pulsante de CD producida por un rectificador o un dispositivo acondicionador de energía. 99

LA TECNOLOGÍA DE CELDAS DE COMBUSTIBLE Y SU INTERFASE ELECTRÓNICA DE POTENCIA PARA APLICACIONES DOMÉSTICAS E INDUSTRIALES

SOBREPOTENCIAL Es el voltaje que está por encima del valor de voltaje nominal ó el máximo voltaje de operación del dispositivo. SEGUIMIENTO EN CARGA Es el modo de operación en donde la fuente de energía genera electricidad dependiendo de la demanda de cargaTURBINA DE GAS Es una turbina que rota mediante la expansión de gases. UTILIZACIÓN DE COMBUSTIBLE En la celda de combustible, es la fracción de combustible u oxidante que ingresa en la celda y que reacciona electroquímicamente. VALOR CALORIFICO Es la cantidad de unidades térmicas británicas (BTUs) producidas por la combustión en un pie cúbico de gas a presión constante, cuando los productos de la combustión son enfriados a temperatura inicial y cuando el vapor de agua (formado durante la combustión) es condensado. Bajo poder calorífico (LHV). Es el valor del calor de combustión, como medida de la facilidad de que el producto de la combustión permanezca en el estado gaseoso. Este método de medida no considera la energía térmica puesta en la vaporización del agua. Alto valor calorífico (HHV). Es el valor del calor de combustión, como medida de la reducción del producto de la combustión que retorna a su temperatura original y la condensación de todo el vapor de agua formada por la combustión. Este valor toma en cuenta el calor de vaporización del agua. VOLTAJE A CIRCUITO ABIERTO Es el voltaje en las terminales del dispositivo, cuando una corriente despreciable circula, es también conocido como voltaje sin carga. VOLTAJE DE SALIDA. Es el voltaje (RMS) entre las terminales de salida. VELOCIDAD DE REACCION Es la medida de la velocidad en una reacción química. La velocidad de reacción depende de una constante de velocidad, el número de reactivos involucrados y en su concentración. Para reacciones donde la velocidad de reacción es baja se necesita el uso de catalizadores que aceleran la reacción.

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