Simulación en PSCAD de una Celda de Combustible de Membrana

X JORNADAS DE INVESTIGACION 2012. Unexpo Vice-Rectorado Puerto Ordaz. Fernández H. Simulación en
PSCAD de una Celda de Combustible PEM.
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Simulación en PSCAD de una Celda de Combustible
de Membrana con Intercambio de Protones
Fernández Herman
[email protected]
Unexpo Vice-Rectorado Puerto Ordaz
Resumen— Las celdas de combustible apuntan como
dispositivos de capital interés en la producción de energía
limpia en el futuro. Actualmente se emplean en plantas
eléctricas conectadas a la red, prestando servicio eléctrico a
cargas aisladas, se encuentran instaladas en vehículos
eléctricos, en naves espaciales y otros medios de transporte,
mejorando la eficiencia en sistemas dependientes de fuentes
de energía renovables, garantizando un tiempo de respaldo
prácticamente indefinido en las fuentes de alimentación
ininterrumpida, prestando el suministro de energía de equipos
de comunicaciones, etc. El trabajo expone la simulación de
una celda de combustible de membrana con intercambio de
protones usando el PSCAD. Los resultados son similares a los
reportados en la literatura. La elección del tipo de celda
obedece a su preferencia para atender aplicaciones
residenciales ubicadas en sitios aislados.
Palabras clave— Celdas de Combustible, Intercambio
de Protones, PEMFC, Energía Renovables, PSCAD.
I. INTRODUCCIÓN
A partir de una reacción química la Celda de
Combustible (FC), produce energía eléctrica,
además de desprender calor, agua y gases en menor
proporción. La Fig.1 ilustra la estructura interna de
una PEMFC [1]-[2].
Carga eléctrica
e-
Exceso de
combustible
Flujo iones
positivos
H+
H2
Combustible
Hidrógeno
Aire
Oxígeno u
oxidante
Electrolito
Conductor de Iones
O2
Flujo iones
negativos
H2O
Calor
Catalizador
Ánodo (-)
Catalizador
Electrones
Cátodo (+)
H2O
Fig.1 Estructura interna de una PEMFC.
Jornadas de Investigación 2012
El voltaje generado está determinado por el
número de celdas conectadas en serie, mientras que
la capacidad de corriente depende del área activa
ocupada por el grupo de celdas. Su estructura tipo
“sándwich” se forma con un ánodo (terminal
negativo), un electrolito y el cátodo (terminal
positivo). El electrolito conduce únicamente iones
positivos debido a la reacción interna de la celda.
Junto a los terminales de la FC se incorporan
catalizadores elaborados con material de carbón
poroso con el fin de acelerar la reacción química.
A raíz del ensayo de electrólisis llevado a cabo por
el químico William Grove en 1839[3], pudo
comprobar que después de descomponer el agua
(hidrógeno y el oxígeno) usando una solución
electrolítica, se registraba un potencial eléctrico de
baja magnitud producto de la reacción química.
Veinte siete años después, en 1959, Francis Bacon
junto a sus colegas mostraron el funcionamiento de
una celda de combustible de 5kW.
La FC son eficientes, producen poco impacto
ambiental, disponen de una excelente relación
corriente/cm2, operan a partir de combustible fósil,
biomasa o de fuentes de energía renovables, su
respuesta dinámica es prácticamente inmediata, su
durabilidad y fiabilidad son ideales para ser
aplicadas en vehículos espaciales, en los sistemas de
transporte y trabajando como fuentes de
alimentación en las redes de distribución. Estas
ventajas fueron aprovechadas en la NASA, al
colocarlas como generadores eléctricos en las naves
espaciales de los proyectos Geminis y Apollo. En
estas dos últimas décadas, la FC han tenido un auge
importante en muchas aplicaciones [1].
De mayor presencia y utilización práctica destacan
las FC de: Membrana con Intercambio de Protones
(PEMFC), Ácido Fosfórico (PAFC), Hidróxido de
Potasio (AFC), Carbonato Fundido (MCFC), Óxido
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PSCAD de una Celda de Combustible PEM.
Sólido (SOF) y otras [1]. A partir de las ecuaciones
del modelo desarrollado en trabajos previos [4]-[9],
se ha logrado representar una PEMFC en la
herramienta de simulación PSCAD, la cual funciona
adecuadamente. A partir del modelo alcanzado, se
podrán simular sistemas complejos que son
tolerados por la herramienta, especialmente los
vinculados en el entorno de las fuentes de energías
renovables. Por otra parte, el trabajo de
investigación es de beneficio académico para los
docentes y estudiantes en las disciplinas de
ingeniería Metalúrgica, Electricidad y Electrónica.
II. DESARROLLO
El voltaje generado en una FC de una única celda
está determinado por:
(1)
Donde ENersnst, es el voltaje termodinámico, Vact, es
la caída de potencial en los electrodos (ánodo y
cátodo), Vohmic, potencial eléctrico provocado por
las pérdidas óhmicas debido a la conducción de
protones y por la resistencia interna, y Vcon,
relacionado a la caída de voltaje por el transporte de
masa del oxígeno y el hidrógeno en la membrana.
Las ecuaciones correspondientes de los términos
antes mencionados se listan a continuación:
El voltaje termodinámico:
(2)
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Finalmente, el voltaje causado por el transporte de
masa es:
(5)
El significado y los valores típicos de los
parámetros usados en el modelo se listan en la
Tabla I.
TABLA I
PARÁMETROS DE LA PEMFC
Símbolo
Descripción
Valores de una celda
Ballard Mark V
343,15 °K
T
Temperatura del módulo
CH2 y
CO2
Concentración de
hidrógeno y oxígeno
ingresado a la FC
104 mol/cm3
PH2 y
PO2
Presión del hidrógeno y
oxígeno de entrada
1.0 atm
Coef. Paramétricos:
ξ1
ξ2
-0,948
ξ3
ξ4
7,6 10-5
-1,93 10-4
λ
Parámetro membrana
23.0
A
Área efectiva de la FC
232,0 cm2
B
Constante de operación
0,016V
l
Espesor membrana
0,0178cm
I
Corriente celda
A
Jmax
Densidad máxima de
corriente
1500 mA/cm2
J
Densidad de corriente en
operación
I/A
mA/cm2
El voltaje debido a las pérdidas de activación:
(3)
La caída de tensión por la resistencia interna o
pérdidas óhmicas:
(4)
La resistencia interna equivalente está determinada
por:
Jornadas de Investigación 2012
El modelo de la PEMFC se puede representar por el
circuito mostrado en la Fig.2. Se fundamenta en una
fuente DC controlada externamente para simular el
valor de la tensión ENernst de la expresión (2),
afectada por la temperatura de trabajo, la presión
del oxígeno y el hidrógeno suministrados, así como
también, por los coeficientes insertados en la
ecuación (2). Se disponen de tres resistencias
conectadas en serie, para modelar las caídas de
potencial en la celda. Los elementos resistivos están
controlados en magnitud por los factores:
Rohmic=Vohmic/I, Ract=Vact/I, y Rcon=Vcon/I. En vista a
la respuesta dinámica observada experimentalmente
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PSCAD de una Celda de Combustible PEM.
se considera la inserción de una capacitancia de
gran magnitud en paralelo con Ract y Rcon [10].
Ec.5
Ec.3
Ec.4
I
Corriente
generada
Rcon
ENernst
Ec.(2)
Ract
Rohmic
VFC
Cd
Fig.2 Circuito equivalente de una PEMFC.
La Fig.3 muestra la unidad de procesamiento para
calcular el valor de la tensión ENernst. El esquema
realiza en cada rama, los cálculos indispensables
para obtener el valor de la tensión interno de la
celda sugerido en la ecuación (2). El modelo admite
el ajuste externo de la presión de cada reactivo, así
como la temperatura de funcionamiento.
Del mismo modo, se procesa el valor de la
resistencia debido al transporte de masa como lo
ilustra la Fig.4, siguiendo las pautas de la ecuación
(5). El resto de las resistencias asociadas al modelo
se efectúa aplicando el mismo procedimiento.
TempK
1.0
PH
ln X
1.0
PO2
ln X
D
+
*
4.308e-5
*
+
F
*
0.5
B
+
1.229
D
+
*
1e-3
-
Enerst
F
298.15
F
D
343.15
Temperatura
+
-
*
0.8453e-3
TempK
Fig.3 Unidad de cálculo del valor de la tensión
termodinámica.
0.016
B
Jact
*
N
1500.0
Jmax
N/D
D
D - +
1.0
ln X
*
-1
N
Econ
N/D
Rcon
D
IFCReal
F
Fig.4 Unidad de cálculo para el valor de la resistencia
debido al transporte de masa.
Jornadas de Investigación 2012
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III. RESULTADOS
A continuación se describen los ensayos de
simulación. Para tal efecto, se pone en marcha el
programa y haciendo uso del “Plot XY” se obtuvo
la gráfica mostrada en la Fig.5. La abscisa
representa la densidad de corriente J (A/cm2),
mientras que la ordenada la tensión en los extremos
de la PEMFC. El perfil de la curva se adapta a los
resultados reportados en los artículos citados. La
respuesta no lineal de la PEMFC obedece a los
términos de las ecuaciones presentadas.
IV. CONCLUSIONES
El modelo equivalente de una PEMFC se
representa fundamentalmente por un circuito serie
formado por una fuente DC dependiente y tres
resistencias controladas externamente. Se agrega un
capacitor de magnitud considerable para confinar el
modelo a la respuesta dinámica real de una PEMFC.
La fuente DC modela la tensión termodinámica,
mientras las resistencias controladas externamente
modelan las pérdidas debidas a: la conducción,
debida al proceso de activación y por el transporte
de masa en la membrana. La característica tensión
en función a la densidad de corriente en una
PEMFC revela su gran capacidad para aportar
corriente a valores muy bajos de tensión. En tal
sentido, para la mayoría de sus aplicaciones
requiere conectarse a etapas de conversión de
energía para adaptarse a las exigencias de la carga.
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PSCAD de una Celda de Combustible PEM.
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PEM Fuel Cell System”. Annual Conference of the IEEE
Industrial Electronics, Coimbra, pp.1-8.
Fig.5 Gráfica de la tensión generada en la PEMFC en
función a la densidad de corriente.
REFERENCIAS
[1] U.S. Deparment of Energy Office of Fossil Energy. “Fuel
Cell Handbook”. Morgantown, EG & G Technical
Services, 2004, ch.1.
[2] Rajeshwar K., McConnell R., and Licht S. “Solar
Hydrogen Generation. Toward a Renewable Energy
Future”. New York, Springer, 2008, ch1.
[3] Kuan K. and Easler K. “Fuel Cell Electronics Packaging”.
New York, Springer, 2007, ch.1.
[4] Brooks N., Baldwin T., Brinson T., Ordoñez J and
Luongo C. “Analysis of Fuel Cell Based Power Systems
Using EMTDC Electrical Power Simulator”. Proceedings
of thirty-sixth southeastern symposium on system theory,
Florida, 2004, pp.270-274.
[5] Costa R. and Camacho J. “The dynamic an steady state
behavior of a PEM fuel cell as an electric energy source”.
Journal of Power Sources, vol.161, 2006, pp.1176-1182.
[6] Pukrushpan J., Stefanopoulou A., and Peng H. “Modeling
and Control for PEM Fuel Cell Stack System”.
Proceedings of American Control Conference,
Anchorage, May, pp.3117-3122.
[7] Correa J., Farret F. and Canha L. “An Analysis of the
Dynamic Performance of Proton Exchange Membrane
Fuel Cells Using an Electrochemical Model”. Annual
Conference of the IEEE Industrial Electronics Society,
Denver, 2001, Nov.-Dec., pp.141-146.
[8] Mann R., Amphlett J., Hooper M., Jensen H., Peppley B.
and Roberge P. “Development and Application of a
Generalized Steady-State Electrochemical Model for a
PEM Fuel Cell”. Journal of Power Sources, vol.86, 2000,
pp.173-180.
[9] Ali M. and Salman S. “Investigation into Modeling of a
Fuel Cell Stack System”. Proceedings of the 41st
International Universities Power Engineering Conference,
NewCastle, 2006, September, pp.1-6.
[10] Outeiro M., Chibante R. and Carvalho A. “A softswitching DC/DC converter to improve performance of a
Jornadas de Investigación 2012