Modelo de pila de combustible

Modelado de pilas de combustible PEM con Simulink y Simscape

Una pila de combustible es un sistema electroquímico que utiliza reactivos para producir electricidad. Una pila de combustible de membrana de electrolito polimérico (PEM) es una tecnología de uso habitual que utiliza una reacción química con hidrógeno y oxígeno para producir electricidad y agua como subproductos. Las pilas de combustible PEM incorporan una membrana semipermeable que permite el transporte de protones y bloquea el flujo de electrones. Debido a esa característica, este tipo de pila de combustible también se conoce como pila de combustible de membrana de intercambio protónico. Como se muestra a continuación, el hidrógeno entra en la pila de combustible por el ánodo y se divide en protones y electrones. Los protones pasan a través de la membrana, mientras que los electrones fluyen a través de un circuito externo y producen una corriente eléctrica. El oxígeno que entra en la pila de combustible por el extremo del cátodo se combina con los protones y electrones para producir agua y calor.

Pila de combustible PEM con el flujo de oxígeno e hidrógeno y la reacción química que produce una corriente eléctrica y agua.

Pila de combustible PEM.

Las pilas de combustible PEM son apreciadas por la baja temperatura y presión a las que funcionan, en comparación con otros tipos de pilas de combustible. Por este motivo, es una tecnología muy utilizada en vehículos eléctricos como alternativa o complemento para sistemas de baterías. Las pilas de combustible PEM se utilizan para la producción de electricidad estacionaria, y se consideran parte de un sistema de almacenamiento y suministro de energía verde cuando se combinan con un electrolizador y una fuente de energía renovable.

Para utilizar la simulación con el fin de desarrollar aplicaciones que empleen pilas de combustible, se necesitan modelos de diferentes fidelidades. Estos escenarios incluyen lo siguiente:

  • Evaluación de la temperatura y el rendimiento eléctrico del stack de pilas de combustible utilizando un modelo de pila de combustible que describa la reacción electroquímica.
  • Optimización de la autonomía, el rendimiento y los efectos térmicos de un vehículo eléctrico de pila de combustible utilizando un modelo de pila de combustible en un nivel de sistema menos detallado.
  • Desarrollo y optimización de un sistema de control de pila de combustible utilizando un modelo de pila de combustible adecuado para pruebas de hardware-in-the-loop.
  • Diseño y simulación de sistemas de generación eléctrica utilizando un modelo de pila de combustible con detalles funcionales para dimensionar los componentes y el equilibrio de planta.
  • Estudio sobre la viabilidad económica de la generación de hidrógeno y la producción de energía utilizando modelos de pila de combustible y electrolizador.

Simscape™ y Simscape Electrical™ proporcionan librerías de modelos para simular pilas de combustible. Equipos de ingeniería pueden utilizar esos modelos para desarrollar sistemas de control de pilas de combustible y analizar las pilas de combustible como fuente de electricidad como parte de un sistema eléctrico. En combinación con Simulink®, estos modelos permiten desarrollar sistemas de control de pilas de combustible para vehículos eléctricos que incluyen diseño de circuito cerrado y lógica de control. Equipos de ingeniería pueden generar código a partir de estos modelos de pilas de combustible para su validación y producción, con soporte para AUTOSAR y flujos de trabajo de certificación para implementar funcionalidades tales como monitorización de corriente, tensión y potencia, y gestión térmica.

Para desarrollar un modelo de stack de pilas de combustible, el modelo de pila de combustible de Simscape Electrical proporciona dos niveles de fidelidad. Un modelo de pila de combustible simplificado proporciona la tensión de Nernst con la condición nominal de temperatura y presión. Un modelo de pila de combustible más detallado genera la tensión de Nernst en función de las señales de entrada de presiones y caudales de combustible y aire. Ambos modelos permiten evaluar las características de tensión y corriente, y la generación de calor.

Bloque de modelo de pila de combustible PEM que muestra las entradas y salidas del sistema.

Modelo de pila de combustible de Simscape Electrical.

Con Simscape, equipos de ingeniería pueden personalizar un modelo completo de pila de combustible PEM. Eso incluye el stack de pilas de combustible y los componentes de equilibrio de planta, tales como compresores de aire, humidificadores, vías de recirculación de hidrógeno, sistemas de refrigeración y gestión del agua. Este modelo de pila de combustible basado en principios básicos que utiliza electroquímica permite desarrollar una pila de combustible PEM en el nivel de componente y de sistema. Este nivel de detalle del modelo de pila de combustible permite modelar funcionalidades tales como monitorización de corriente, tensión y potencia, y gestión térmica.

Modelo de sistema de pila de combustible PEM que consta de la pila y el equilibrio de los componentes del sistema, tales como fuentes de hidrógeno y oxígeno, bombas y sistemas de refrigeración.

Modelo de sistema de pilas de combustible PEM de Simscape.

Un modelo de pila de combustible como parte de un sistema eléctrico proporciona un marco para realizar estudios de tradeoffs con el fin de economizar la eficiencia del stack de pilas de combustible, la utilización de hidrógeno y oxígeno, y el consumo de combustible y aire.

Modelo de pila de combustible PEM como parte de un sistema eléctrico con un convertidor boost CC-CC.

Modelo de pila de combustible de 6 kW de Simscape Electrical.

Como se muestra en Powertrain Blockset™, un modelo de pila de combustible PEM con reacciones electroquímicas, gestión de hidrógeno y aire, y sistemas de gestión térmica, se puede combinar con un sistema de baterías y un motor eléctrico para modelar el tren de potencia de un vehículo virtual de pila de combustible.

Modelo de pila de combustible PEM como parte de un vehículo eléctrico de batería (BEV) que incluye un sistema de baterías, un motor eléctrico y un sistema de refrigeración.

Modelo de pila de combustible y modelo de sistema de baterías para un vehículo eléctrico.

También puede consultar estos temas: Simscape Electrical, Powertrain Blockset, MATLAB and Simulink for electric vehicle development, Simulink for power electronics control design, MATLAB and Simulink Based Books for fuel cell development