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Sistema de pila de combustible con PEM

En este ejemplo se muestra cómo crear un modelo de pilas de combustible con membrana de intercambio protónico (PEM) con un bloque de Simscape™ personalizado. La pila de combustible con PEM genera energía eléctrica consumiendo hidrógeno y oxígeno, y produciendo vapor de agua. El bloque personalizado representa el conjunto membrana electrodo (MEA) y está conectado a dos redes independientes de aire húmedo: una para el flujo de gas del ánodo y otra para el flujo de gas del cátodo.

Las dos redes de aire húmedo representan diferentes mezclas de gases. La red del ánodo consta de nitrógeno (N2), vapor de agua (H2O) e hidrógeno (H2), que representa el combustible. El hidrógeno se almacena en el tanque de combustible a 70 MPa. Una válvula de reducción de presión libera hidrógeno a las pilas de combustible a aproximadamente 0,16 MPa. El hidrógeno no consumido vuelve a circular por las pilas. La red del cátodo consta de nitrógeno (N2), vapor de agua (H2O) y oxígeno (O2), que representa el aire del ambiente. Un compresor introduce aire en las pilas de combustible a una tasa controlada para asegurar que la pila de combustible no se quede sin oxígeno. Una válvula de seguridad mantiene una presión de aproximadamente 0,16 MPa en las pilas y expulsa los gases de escape al ambiente.

La temperatura y la humedad relativa en las pilas de combustible debe mantenerse a un nivel óptimo para asegurar el funcionamiento eficiente en diferentes condiciones de carga. Las altas temperaturas aumentan la eficiencia térmica, pero reducen la humedad relativa, lo que provoca una mayor resistencia de la membrana. Por lo tanto, en este modelo, la temperatura de las pilas de combustible se mantiene a 80 °C. El sistema de refrigeración hace circular refrigerante entre las pilas para absorber el calor y expulsarlo al ambiente a través del radiador. Los humidificadores saturan el gas con vapor de agua para mantener la membrana hidratada y minimizar la resistencia eléctrica.

El bloque MEA personalizado está implementado en el código de Simscape FuelCell.ssc. El puerto de salida F de los bloques de la tubería del canal de gas del ánodo y del cátodo proporcionan las fracciones molares de gas necesarias para modelar la reacción de las pilas de combustible. La eliminación de H2 y O2 de los flujos de gas del ánodo y el cátodo se implementa por los bloques Controlled Trace Gas Source (MA). La producción de H2O y el transporte de vapor de agua por el MEA se implementan por los bloques Controlled Moisture Source (MA). El calor generado por la reacción se envía a través del puerto térmico H al bloque Thermal Mass conectado. Para obtener más información sobre la implementación, consulte los comentarios en el código.

Vea también el ejemplo Sistema de electrólisis con PEM.

Referencias:

Dutta, Sandip, Sirivatch Shimpalee y J. W. Van Zee. "Numerical prediction of mass-exchange between cathode and anode channels in a PEM fuel cell", International Journal of Heat and Mass Transfer 44.11 (2001): 2029-2042.

EG&G Technical Services, Inc. Fuel Cell Handbook (séptima edición). US Department of Energy, Office of Fossil Energy, National Energy Technology Laboratory, 2004.

Pukrushpan, Jay T., Anna G. Stefanopoulou y Huei Peng. Control of fuel cell power systems: principles, modeling, analysis and feedback design. Springer-Verlag London, 2004.

Spiegel, Colleen. PEM fuel cell modeling and simulation using MATLAB. Elsevier, 2008.

Modelo

Anode Humidifier Subsystem

Anode Exhaust Subsystem

Anode Gas Channels Subsystem

Cathode Humidifier Subsystem

Cathode Exhaust Subsystem

Pressure Relief Valve Subsystem

Cathode Gas Channels Subsystem

Cooling System Subsystem

Coolant Tank Subsystem

Electrical Load Subsystem

Hydrogen Source Subsystem

Pressure-Reducing Valve Subsystem

Oxygen Source Subsystem

Recirculation Subsystem

Resultados de simulación a partir de scopes

Resultados de simulación a partir del registro de Simscape

Esta gráfica muestra la curva tensión-corriente (i-v) de una pila de combustible. A medida que la corriente aumenta, se produce un descenso inicial de la tensión debido a las pérdidas de activación de los electrodos, seguido de un descenso gradual de la tensión debido a las resistencias óhmicas. Cerca de la corriente máxima, se produce un descenso brusco de la tensión debido a las pérdidas relacionadas con el transporte de gas.

Esta gráfica también muestra la energía producida por la pila. Cuando se selecciona el aumento, la energía aumenta hasta una salida de potencia máxima y luego disminuye a causa de las pérdidas elevadas cerca de la corriente máxima.

Esta gráfica muestra la energía eléctrica producida por las pilas de combustible, así como la energía consumida por el compresor de aire del cátodo y la bomba del refrigerante para mantener un funcionamiento del sistema estable y eficiente. Como consecuencia, la energía neta producida por el sistema es un pequeño porcentaje inferior a la energía producida por las pilas. Observe que en este modelo se presupone un compresor isentrópico. En función de la eficiencia del compresor, la ganancia neta de energía podría disminuir ligeramente.

Esta gráfica también muestra el calor en exceso generado por las pilas de combustible, que debe eliminarse con el sistema de refrigeración. La energía máxima producida por las pilas de combustible es 110 kW.

Esta gráfica muestra la eficiencia térmica de la pila de combustible y su fracción de uso del reactante. La eficiencia térmica indica la fracción de la energía del combustible de hidrógeno que la pila de combustible ha convertido a trabajo eléctrico útil. La eficiencia máxima teórica para una pila de combustible con PEM es del 83%. Sin embargo, la eficiencia real es de aproximadamente el 60% debido a las pérdidas internas. Cerca de la corriente máxima, la eficiencia se reduce a aproximadamente el 45%.

El uso de reactante es la fracción de los reactantes, H2 y O2, que fluye a las pilas de combustible que ha sido consumida por una pila de combustible. Un mayor uso de reactante utiliza mejor uso los gases que fluyen por la pila de combustible, y reduce la concentración de los reactantes y, por lo tanto, reduce la tensión producida. El O2 no consumido se expulsa al ambiente, pero el H2 no consumido vuelve a circular al ánodo para evitar los residuos. Sin embargo, en la práctica, el H2 se purga periódicamente para eliminar los contaminantes.

Esta gráfica muestra las temperaturas en diferentes ubicaciones del sistema. La temperatura de las pilas de combustible se mantiene a un máximo de 80 °C por el sistema de refrigeración. El flujo de recirculación calienta el combustible que fluye al ánodo. El compresor calienta el aire que fluye al cátodo.

Mantener una temperatura óptima es crucial para el funcionamiento de la pila de combustible, ya que las temperaturas elevadas disminuyen la humedad relativa, lo que aumenta la resistencia de la membrana. En este modelo, el sistema de refrigeración funciona con un control sencillo del caudal de la bomba del refrigerante. La gráfica muestra la temperatura del refrigerante una vez que ha absorbido calor de las pilas de combustible y tras haber expulsado calor en el radiador.

Esta gráfica muestra la masa de hidrógeno utilizada durante el funcionamiento y el descenso correspondiente en la presión del tanque de hidrógeno. La energía del combustible de hidrógeno consumida se convierte en energía eléctrica.