Sistema de celdas de combustible con PEM
En este ejemplo se muestra cómo crear un modelo de pila de celdas de combustible con membrana de intercambio protónico (PEM) con un bloque de Simscape™ personalizado. La celda 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 la pila de celdas de combustible a aproximadamente 0,16 MPa. El hidrógeno no consumido vuelve a circular por las celdas. 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 la pila de celdas de combustible a una tasa controlada para asegurar que la celda de combustible no se quede sin oxígeno. Una válvula de seguridad mantiene una presión de aproximadamente 0,16 MPa en las celdas y expulsa los gases de escape al ambiente.
La temperatura y la humedad relativa en la pila de celdas 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 la pila de celdas de combustible se mantiene a 80 °C. El sistema de refrigeración hace circular refrigerante entre las celdas 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 la pila de celdas 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 celdas de combustible en la pila. 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 celda. 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 la pila de celdas 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 celdas. 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 la pila de celdas de combustible, que debe eliminarse con el sistema de refrigeración. La energía máxima producida por la pila de celdas de combustible es 110 kW.
Esta gráfica muestra la eficiencia térmica de la celda de combustible y su fracción de uso del reactivo. La eficiencia térmica indica la fracción de la energía del combustible de hidrógeno que la celda de combustible ha convertido a trabajo eléctrico útil. La eficiencia máxima teórica para una celda 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 reactivos es la fracción de los reactivos, H2 y O2, que fluye a la pila de celdas de combustible que ha sido consumida por una celda de combustible. Un mayor uso de reactante utiliza mejor uso los gases que fluyen por la celda de combustible, y reduce la concentración de los reactivos 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 la pila de celdas 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 celda 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 la pila de celdas de combustible y luego de 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.
