Entorno de monitorización y control para una pila de combustible

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1 Entorno de monitorización y control para una pila de combustible Titulación: Enginyeria Tècnica Industrial en Electrònica Industrial AUTOR: Xavier Gómez Medina DIRECTOR: Hugo Valderrama Blavi FECHA: Junio 2005

2 Entorno de Monitorización y Control para una Pila de Combustible AUTOR: Xavier Gómez Medina DIRECTOR: Hugo Valderrama Blavi FECHA: Junio 2005

3 Índice general 1.- Índice general 2

4 Índice general 1.- Índice general Índice general 1.1 Índice general Memoria descriptiva 2.1 Antecedentes Objetivo del proyecto Requisitos del diseño Pilas de combustible Descripción del funcionamiento Tipos de pilas de combustible Membrana polimérica (PEM) Ácido fosfórico (PAFC) Conversión directa de metanol (DMFC) Alcalina (AFC) Carbonato fundido (MFCF) Óxido sólido (SOFC) Descripción del sistema Introducción Descripción de la planta Pila de combustible Válvula proporcional Sensor de presión Sensor de caudal Interfase de monitorización Frontal interfase de monitorización Trasera interfase de monitorización Interior interfase de monitorización Fuente de alimentación Fuente de alimentación de ±5 V Fuente de alimentación de 24 V Fuente de alimentación de 15 V Adquisición de datos Adquisición presión de hidrógeno Adquisición caudal hidrógeno Adquisición corriente pila de combustible Adquisición tensión pila de combustible Elevador de tensión Microcontrolador Microcontrolador Adquisición tensión y corriente convertidor Convertidor D/A Convertidor DC/DC Convertidor boost Driver 34 3

5 Índice general 3.- Memoria de cálculo 3.1- Diseño de las fuentes de alimentación Cálculo del consumo del sistema Fuente de alimentación de 5 V Cálculo de la bobina Cálculo del condensador de entrada Cálculo del condensador de salida Elección del diodo Cálculo del disipador Fuente de alimentación de 24 V Cálculo de la bobina Cálculo del condensador de entrada Cálculo del condensador de salida Elección del diodo Cálculo del disipador Otros cálculos Diseño del circuito de adquisición de datos Adquisición tensión pila de combustible Adquisición corriente pila de combustible Adquisición de la presión de hidrógeno Adquisición del caudal de hidrógeno Elevador de tensión control válvula Diseño del circuito del microcontrolador Adquisición tensión y corriente convertidor DC/DC Convertidor D/A Programa Diagrama de flujo Código del programa Diseño del convertidor DC/DC Cálculo bobina Cálculo condensador de salida Elección del MOSFET Elección del diodo Cálculo disipadores Driver Lista de materiales Resultados experimentales 4.1 Experimentos con la pila de combustible Primer ensayo Pruebas con la interfase de monitorización Obtención de resultados Conclusiones Aspecto del prototipo 72 4

6 Índice general 5.- Planos 5.1- Fuentes de alimentación Esquema Circuito impreso Circuito adquisición de datos Esquema Circuito impreso Circuito del microcontrolador Esquema Circuito impreso Convertidor DC/DC Esquema Circuito impreso Serigrafía caja de monitorización Serigrafía frontal caja de monitorización Serigrafía trasera caja de monitorización Presupuesto 6.1- Precios simples Capitulo A: Diseño Capitulo B: Montaje y puesta en marcha Capitulo C: Material Amidamientos Capitulo A: Diseño Capitulo B: Montaje y puesta en marcha Capitulo C: Material Aplicación de precios Capitulo A: Diseño e implementación Capitulo B: Montaje y puesta en marcha Capitulo C: Material Resumen del presupuesto Pliego de condiciones 7.1 Disposiciones y abarque del pliego de condiciones Objetivo del pliego Descripción del proceso Condiciones de los materiales Especificaciones eléctricas Placas de circuito impreso Interconexión de placas Resistencias Condensadores Inductores Circuitos integrados y semiconductores Reglamento electrotécnico de baja tensión Especificaciones mecánicas 106 5

7 Índice general 7.3 Condiciones de ejecución del proyecto Elección y compra de materiales Construcción del inductor Soldadura de los componentes Condiciones facultativas Arranque y manejo de la pila de combustible Anexos 8.1 Bibliografía Webs utilizadas Manual de la pila de combustible Datasheets 131 Tarragona, 15 de Junio de 2005 El Ingeniero Técnico Industrial Firmado, Xavier Gómez Medina 6

8 Memoria descriptiva 2.- Memoria descriptiva 7

9 Memoria descriptiva Índice memoria descriptiva 2.- Memoria descriptiva 2.1 Antecedentes Objetivo del proyecto Requisitos del diseño Pilas de combustible Descripción del funcionamiento Tipos de pilas de combustible Membrana polimérica (PEM) Ácido fosfórico (PAFC) Conversión directa de metanol (DMFC) Alcalina (AFC) Carbonato fundido (MFCF) Óxido sólido (SOFC) Descripción del sistema Introducción Descripción de la planta Pila de combustible Válvula proporcional Sensor de presión Sensor de caudal Interfase de monitorización Frontal interfase de monitorización Trasera interfase de monitorización Interior interfase de monitorización Fuente de alimentación Fuente de alimentación de ±5 V Fuente de alimentación de 24 V Fuente de alimentación de 15 V Adquisición de datos Adquisición presión de hidrógeno Adquisición caudal hidrógeno Adquisición corriente pila de combustible Adquisición tensión pila de combustible Elevador de tensión Microcontrolador Microcontrolador Adquisición tensión y corriente convertidor Convertidor D/A Convertidor DC/DC Convertidor boost Driver 34 8

10 Memoria descriptiva Antecedentes Las pilas de combustible se conocen desde mediados del siglo pasado, aunque su uso desde entonces ha sido muy limitado, básicamente por problemas tecnológicos y de coste económico. En el último tercio del siglo XX se usaron en el programa Apollo de la agencia espacial americana, la NASA. Actualmente, en la mayoría de las aplicaciones para pilas de combustible, dada la lentitud dinámica de las mismas, suele existir una batería o super-capacitor que actúe de filtro de las variaciones rápidas en el consumo de las cargas del sistema de alimentación basado en dichas pilas de combustible. Las pilas trabajan pues, en un nivel de generación de energía eléctrica constante o quasi-constante. Uno de los objetivos de este proyecto consiste en tratar de prescindir de esas baterías y hacer que la pila de combustible entregue a la salida la potencia que se necesite en cada momento. Para conseguirlo, deberemos intentar controlar el caudal de combustible, en este caso, hidrógeno Objetivo del proyecto El objetivo principal del proyecto es controlar el caudal de hidrógeno que alimenta la pila en función de las necesidades energéticas de la salida. También es importante obtener datos sobre el funcionamiento de las pilas de combustible y los posibles problemas que puedan tener. Este es el primer proyecto sobre pilas de combustible de hidrógeno en esta universidad y no tenemos datos de referencia ni modelo de la pila que estamos utilizando, por lo tanto, al principio lo importante es conseguir ver como funciona el sistema e intentar controlarlo. Para hacer este control se utilizará un microcontrolador que controlará el caudal de hidrógeno y el ciclo de trabajo de un convertidor elevador que se colocará a la salida de la pila para elevar la tensión de 12 V a 42 V. Otro de los objetivos es crear un entorno de trabajo en el se pueda visualizar la tensión y la corriente de salida de la pila de combustible, así como la presión y el caudal de hidrógeno. También se ha decidido incluir en este entorno las fuentes de alimentación necesarias para alimentar los siguientes subsistemas: el circuito de control, el control box de la pila de combustible, los sensores de presión y caudal, la válvula proporcional y los posible circuitos que se fuesen añadiendo al sistema, por lo tanto hay que sobredimensionar estas fuentes. Este entorno, que mayoritariamente se encuentra en una caja metálica, que a partir de ahora se conocerá como interfase de la pila, se diseñará para que acompañe siempre a esta pila de combustible y sea útil para la realización de múltiples ensayos, experimentos y otros posibles proyectos. 2.3 Requisitos del diseño El principal requisito y objetivo de este proyecto es conseguir que la pila de combustible entregue 12 V a la salida sea cual sea la carga que tenga conectada. Hay que conseguir que la tensión sea lo más estable posible e intentar que la pila no se sature ante una gran demanda de potencia. 9

11 Memoria descriptiva Respecto a las fuentes de alimentación debemos tener en cuenta que debemos sobredimensionarlas para poder conectar otros circuitos en un futuro, por lo tanto hay que calcular el consumo de todo el sistema y a partir de hay decidir que potencia queremos dejar disponible y calcular las fuentes de alimentación. Respecto al convertidor elevador, se quiere que eleve la tensión de los 12 V que entrega la pila de combustible a 42 V, para poder utilizar la pila en proyectos que utilicen esta tensión, ya que una de las aplicaciones más usuales para las pilas de combustible es el sector de la automoción y la futura tensión de los coches se elevará hasta 42 V Pilas de combustible Descripción del funcionamiento Las pilas de combustible son sistemas electroquímicos en los que la energía de una reacción química se convierte directamente en electricidad. A diferencia de la pila eléctrica o batería, una pila de combustible no se acaba ni necesita ser recargada; funciona mientras el combustible y el oxidante le sean suministrados. Una pila de combustible consiste en un ánodo en el que se inyecta el combustible (comúnmente hidrógeno) y un cátodo en el que se introduce un oxidante (normalmente aire u oxígeno). Los dos electrodos de una pila de combustible están separados por un electrolito iónico conductor. Su principio de funcionamiento es inverso al de una electrólisis. Por ejemplo, en la electrólisis del agua, se separa este compuesto en sus dos componentes, hidrógeno y oxígeno, mientras que en una pila de combustible se obtendría una corriente eléctrica por medio de la reacción entre estos dos gases: El sistema opera con dos tipos de gases, combustible y oxidante, que pasan a través de las superficies del ánodo y cátodo opuestas al electrolito, respectivamente, y generan energía eléctrica por oxidación electroquímica del combustible, generalmente hidrógeno, y la reducción electroquímica del oxidante, normalmente oxígeno. Se transforma entonces la energía química, almacenada en el enlace H-H de la molécula H2, en energía eléctrica y vapor de agua. Este nuevo concepto ofrece ventajas sustanciales sobre la tecnología clásica de combustión, no solamente por el aumento de la eficiencia hasta niveles de 40-70%, sino también porque la única emisión producida es vapor de agua. Por ejemplo, los automóviles que utilizan H2 como combustible son un 22% más eficiente que los movidos por gasolina. Dicho aumento de eficiencia se debe tanto a la mayor riqueza energética del combustible, como al hecho de que la energía se aprovecha directamente, pues no se recorre el ciclo de Carnot, como en otras máquinas y motores térmicos. En este último caso el rendimiento ideal está relacionado con salto térmico dicho ciclo. 10

12 Memoria descriptiva Fig 2.1: Esquema pila de combustible Las pilas de combustible están constituidas por un conjunto de celdas apiladas, cada una de las cuales posee un ánodo o electrodo negativo y un cátodo o electrodo positivo, separados por un electrolito que facilita la transferencia iónica entre los electrodos. Cada una de las substancias que participan en la reacción es alimentada a un electrodo distinto. Así, el combustible es alimentado de forma continua al ánodo, y el oxidante al cátodo. Allí los reactivos se transforman electroquímicamente, de acuerdo con las siguientes semirreacciones: Se genera de esta forma una corriente eléctrica entre ambos electrodos que, a diferencia de lo que ocurre en una pila o batería convencional, no se agota con el tiempo de funcionamiento, sino que se prolonga mientras continúe el suministro de los reactivos. Figura 2.2 Efecto del caudal de hidrógeno 11

13 Memoria descriptiva En la figura 2.2 se puede observar el efecto que tiene el caudal de hidrógeno sobre la corriente de salida, se observa que para mantener la misma tensión de salida, si la corriente varia se debe variar el caudal para mantener la tensión regulada. Utilizando este efecto se consigue controlar la tensión de salida de la pila de combustible dependiendo de la corriente que demande la carga. Figura 2.3 Efecto de la presión del hidrógeno En la figura 2.3 se observa que las variaciones de presión hacen variar el punto de trabajo de la pila de combustible pero con menos variaciones que se consiguen con la variación del caudal Tipos de pilas de combustible Las pilas de combustible se clasifican por el tipo de electrolito empleado. Dependiendo del electrolito, se producirán diferentes reacciones químicas en la propia pila, así como diferentes agentes catalíticos, rangos de temperatura, combustible requerido y algunos otros factores. Estas características, a su vez, determinan el tipo de aplicaciones para las que son más apropiadas estas pilas. Actualmente se está investigando en varios tipos de pilas de combustible, con sus ventajas, limitaciones, y posibles aplicaciones. Los tipos de pilas de combustible más utilizados son: - Membrana polimérica (PEM) - Ácido fosfórico (PAFC) - Conversión directa de metanol (DMFC) - Alcalina (AFC) - Carbonato fundido (MFCF) - Óxido sólido (SOFC) 12

14 Memoria descriptiva A continuación se puede ver una tabla resumen con las principales características de estas pilas de combustible y en los siguientes apartados hay una descripción del funcionamiento de cada tipo de pila. PEM PAFC DMFC AFC MFCF SOFC Combustible H 2 H 2 Metanol + H 2 O H 2 H 2 H 2 Oxidante O 2 O 2 O 2 O 2 O 2 +CO 2 O 2 Emisión H 2 O H 2 O H 2 O H 2 O H 2 O H 2 O Temperatura 80ºC ºC ºC ºC 650ºC 1000ºC Rendimiento 37-42% 50% 60% 60% 50-60% Polímero ácido Polímero Hidróxido Sales de Electrolito sólido fosfórico sólido de potasio carbonato Cerámica Catalizador Platino Platino Platino Metal Metal Metal Membrana polimérica (PEM) Fig 2.4: Pila de combustible PEM Las pilas de membrana polimérica (PEM), también llamadas pilas de combustible de membrana de intercambio de protones, proporcionan una densidad energética elevada y tienen la ventaja de ser ligeras y tener un tamaño pequeño, si se las compara con otras pilas. Las pilas PEM usan como electrolito un polímero sólido y electrodos porosos de carbono que contienen un catalizador de platino. Necesitan hidrógeno y oxígeno, y no requieren el uso de fluidos corrosivos como otras pilas de combustible. Normalmente usan hidrógeno puro como combustible almacenado en depósitos o convertidores incorporados. Figura 2.5 Estructura de una pila de combustible tipo PEM 13

15 Memoria descriptiva Las pilas de membrana de electrolito polímero operan a relativamente bajas temperaturas, (80 ºC). Esto permite que arranquen rápidamente al necesitar menos tiempo de calentamiento. Esto representa una ventaja, ya que supone menor desgaste entre los componentes del sistema, y por tanto aumenta la duración del mismo. Estas pilas operan con un catalizador de platino, lo que encarece mucho el sistema. Además, el catalizador de platino es extremadamente sensible a la contaminación por CO, por lo que es necesario utilizar un reactor adicional para reducir el nivel de CO en el gas combustible. Este problema se agudiza cuando el hidrógeno empleado proviene de un combustible de alcohol o de hidrocarburo. Actualmente, se están estudiando reemplazar estos catalizadores por los de platino/rutenio, que presentan más resistencia a la contaminación por CO. Las pilas PEM se usan fundamentalmente para aplicaciones en el transporte e instalaciones estacionarias. Debido a su rapidez para el arranque, baja sensibilidad a la orientación, y su relación favorable entre peso y energía producida, las pilas de combustible PEM son especialmente adecuadas para su uso en vehículos de pasajeros, como por ejemplo coches y autobuses Ácido fosfórico (PAFC) La pila de combustible de ácido fosfórico (PAFC) es considerada como la primera generación de pilas de combustible modernas. Es uno de los tipos de pilas de combustible más desarrollados y el más usado en la actualidad. Este tipo de pila se usa normalmente en la generación de energía estacionaria, pero también se ha usado en vehículos pesados, como los autobuses urbanos. Fig 2.6: Pila de combustible PAFC Estas pilas utilizan ácido fosfórico líquido como electrolito y electrodos de carbono poroso que contienen un catalizador de platino. Las pilas PAFC son menos sensibles a la contaminación del CO que las pilas PEM. Presentan una eficacia del 85% cuando se utilizan como generadores de energía eléctrica y calórica, pero son menos eficaces cuando generan sólo energía eléctrica (entre el 37 y el 42%). La diferencia en su eficacia con las plantas energéticas de combustión (33 a 35%) es muy pequeña. Las pilas PAFC también producen menos energía que otras pilas a igualdad de peso y volumen. Por este motivo, estas pilas normalmente presentan gran tamaño y peso y son más caras. Análogamente que las PEM, estas pilas necesitan un catalizador de platino, lo que incrementa su coste. Una pila de combustible de ácido fosfórico cuesta normalmente entre y por kilovatio. 14

16 Memoria descriptiva Conversión directa de metanol (DMFC) La mayoría de las pilas de combustible funcionan con hidrógeno, que se puede suministrar directamente en el sistema de la pila, o ser generado dentro de la propia pila convirtiendo combustibles ricos en hidrógeno (como por ejemplo el metanol, etanol y los combustibles de hidrocarburos). Sin embargo, las pilas de combustible de metanol directo (DMFC), funcionan con metanol puro mezclado con vapor de agua y suministrarlo directamente al ánodo de la pila. Las pilas de combustible de metanol directo, no tienen muchos de los problemas de almacenamiento que tienen otras pilas, ya que el metanol tiene mayor densidad energética por unidad de volumen que el hidrógeno (aunque menos que la gasolina). El metanol, al ser líquido como la gasolina, es también más fácil de transportar y suministrar al público usando la infraestructura ya existente. La tecnología de la pila de combustible de metanol directo es relativamente nueva si se compara con la de otras pilas de combustible que funcionan con hidrógeno, y su investigación y desarrollo va 3 ó 4 años por detrás de las otras pilas de combustible Alcalina (AFC) Fig 2.7: Pila de combustible alcalina Las pilas de combustible alcalinas (AFC) fueron una de las primeras pilas de combustible en ser desarrolladas, y el primer tipo usado de forma extensiva en el programa espacial de Estados Unidos para producir energía eléctrica y agua a bordo de las naves espaciales. Estas pilas de combustible utilizan una solución de hidróxido de potasio en agua como electrolito y pueden usar una gran variedad de metales no preciosos como catalizadores en el ánodo y el cátodo. Las pilas AFC de altas temperaturas pueden funcionar a temperaturas entre 100 ºC y 250 ºC. No obstante, diseños más modernos de estas pilas funcionan a temperaturas más bajas, entre 23 ºC y 70 ºC aproximadamente. Las pilas AFC son de alto rendimiento debido a la velocidad a la que tienen lugar las reacciones que se producen en ellas. También son muy eficientes, alcanzando un 60% rendimiento en aplicaciones espaciales. Su desventaja reside en su sensibilidad a la contaminación por dióxido de carbono (CO 2 ). De hecho, incluso una pequeña cantidad de CO 2 en el aire puede afectar el funcionamiento de la pila, haciendo necesario purificar tanto el hidrógeno como el 15

17 Memoria descriptiva oxígeno utilizados. Este proceso de purificación incrementa el coste de la pila, y además duran menos debido a la susceptibilidad que presentan a este tipo de contaminación. En ambientes como el espacio o el fondo del mar, esta desventaja no tiene lugar. Sin embargo, para competir en mercados más generales, estas pilas de combustible tendrán que hacerse más rentables. Las pilas AFC han demostrado ser suficientemente estables durante más de horas de funcionamiento. Para ser viables desde el punto de vista económico en aplicaciones útiles a gran escala, tienen que superar las horas. Posiblemente, éste es el obstáculo más significativo para la comercialización de esta tecnología Carbonato fundido (MFCF) Las pilas de combustible de carbonato fundido (MCFC) se están desarrollando en la actualidad para plantas de energía de carbón en la producción de electricidad. Las pilas MCFC son pilas de combustible de alta temperatura que utilizan un electrolito compuesto de una mezcla de sales de carbonato fundidas dispersas en una matriz cerámica porosa y químicamente inerte de óxido de litio-aluminio. Fig 2.8: Pila de carbonato fundido Dado que operan a temperaturas extremadamente altas de entre 600 y 650 ºC, se pueden utilizar en el ánodo y el cátodo metales que no sean nobles como catalizadores, lo que reduce los costes. Las pilas MCFC son más eficientes y cuestan menos que las pilas de ácido fosfórico. Estas pilas pueden tener un rendimiento de aproximadamente el 60%, considerablemente más alto que las plantas de pilas de ácido fosfórico que sólo obtienen entre un 37 y un 42% de rendimiento. Cuando el calor que se desprende es captado y utilizado, el rendimiento total del combustible puede ser de hasta un 85%. Al contrario que las pilas alcalinas, de ácido fosfórico y de membrana de electrolito polímero, las pilas MCFC no necesitan un reformador externo para convertir en hidrógeno combustibles de energía más densa. Debido a las altas temperaturas a las que operan, estos combustibles se convierten en hidrógeno dentro de la propia pila de combustible mediante un proceso que se denomina conversión interna, lo que también reduce costes. Las pilas de carbonato fundido no son propensas a la contaminación por monóxido o dióxido de carbono (pueden incluso usar óxidos de carbono como combustible), permitiendo que se puedan usar en ellas como combustible gases fabricados del carbón. Aunque son más resistentes a las impurezas que otros tipos de pilas, los científicos están buscando formas de hacer la pila MCFC suficientemente 16

18 Memoria descriptiva resistente a las impurezas procedentes del carbón, como pueden ser el sulfuro y las partículas. La desventaja más importante de la tecnología existente de MCFC es la duración. Las altas temperaturas a las que operan estas pilas y el electrolito corrosivo que se utiliza en ellas, hacen que sus componentes se deterioren, reduciendo la duración de la pila. Los científicos están buscando materiales resistentes a la corrosión para fabricar los componentes, así como diseños que aumenten la duración de la pila sin hacer que disminuya su rendimiento Óxido sólido (SOFC) Las pilas de combustible de óxido sólido (SOFC) usan como electrolito un componente de cerámica duro y no poroso. Al ser el electrolito sólido, las pilas no se tienen que construir con una configuración laminar, como ocurre con las otras pilas. Fig 2.9: Pila de combustible SOFC Se espera que las pilas SOFC tengan un rendimiento en la conversión de combustible en electricidad de entre el 50-60%. En aplicaciones cuya finalidad es captar y utilizar el calor que desprende el sistema (cogeneración), el rendimiento total del combustible puede llegar hasta el 80-85%. Las pilas de óxido sólido operan a temperaturas muy elevadas (alrededor de los 1000 ºC). Las levadas temperaturas hacen que no sea necesario utilizar metales nobles como catalizadores, reduciendo el coste. También permite a la pila SOFC convertir los combustibles internamente, lo que supone la posibilidad de usar diferentes combustibles y reduce el coste asociado que supone añadir un convertidor al sistema. Estas pilas también son las más resistentes al sulfuro. Además, no se contaminan con monóxido de carbono (CO), que puede incluso ser utilizado como combustible. Esto permite el uso en estas pilas de gases procedentes del carbón. Las elevadas temperaturas tienen desventajas: su arranque es lento y necesitan abundante protección para evitar que el calor se escape y para proteger al personal que trabaja con ellas, lo que puede ser aceptable para algún tipo de aplicaciones, pero no para el transporte y para algunos aparatos portátiles. Las altas temperaturas afectan también a la duración de los materiales que se utilizan. El desarrollo de materiales a bajo precio y de larga duración a las temperaturas a las que funciona la pila, es la clave del reto tecnológico al que se somete esta tecnología. 17

19 Memoria descriptiva Actualmente se está trabajando en el desarrollo de pilas de combustible SOFC que funcionen en torno a 800 ºC, con mayor duración y menor coste. Las pilas SOFC a temperaturas más bajas producen menos electricidad, y no se han encontrado materiales para estas pilas que funcionen a este rango de temperaturas Descripción del sistema Introducción Control Válvula Microcontrolador Datos Interfase de monitorización y control Ciclo trabajo V Convertidor Caudal y presión O 2 V Pila H 2 Sensores y válvula H 2 Pila de combustible Tensión Convertidor DC/DC Botella H 2 H 2 O Carga Fig 2.10: Esquema del sistema El sistema consta de dos partes bien diferenciadas, la planta y la electrónica que la controla y la monitoriza. La planta está formada por la pila de combustible, los sensores de caudal y presión, y la válvula proporcional que controla el caudal de hidrógeno. La parte de la electrónica también se puede dividir en diferentes partes, cada una de estas partes será una placa de circuito impreso, para hacer estas divisiones se utilizarán como punto de partida los requisitos del sistema. Uno de los requisitos es montar un instrumento para obtener la tensión y la corriente de la pila de combustible y el caudal y la presión, en este mismo instrumento se deben incluir las fuentes de alimentación del sistema. Por lo tanto de aquí ya se pueden obtener dos placas a fabricar que irán instaladas dentro de una caja para instrumentos, una de las placas será la que contenga las fuentes de alimentación necesarias para alimentar nuestro sistema, la otra placa que ira instalada en la caja hará 18

20 Memoria descriptiva de enlace entre la planta (pila de combustible, válvula y sensores) y la placa de control (microcontrolador), también adecuará las señales que provienen de la planta para ser mostradas en los cuatro displays que estarán en el frontal de la caja de monitorización. Otro de los circuitos será el que contenga el microcontrolador, el cual también contendrá los circuitos para la obtención de la tensión y la corriente de salida del convertidor y así también poder utilizarlas como variable del programa de control. El microcontrolador será el encargado de controlar el caudal de hidrógeno para conseguir los 12 V a la salida de la pila de combustible y también controlará el ciclo de trabajo del convertidor DC/DC para obtener los 42 V a la salida del mismo. El último circuito será el convertidor DC/DC que servirá para elevar los 12 V de la pila de combustible a los 42 V que se propone en los requisitos del proyecto. Este circuito se puede dividir en dos partes, el convertidor propiamente dicho y el driver, que es el circuito encargado de elevar la señal PWM que proporciona el microcontrolador a una tensión y corriente suficientes para poder hacer el disparo del MOSFET Descripción de la planta La planta esta formada por la pila de combustible como elemento principal y el sensor de presión sensor de caudal y la válvula proporcional como elemento auxiliares. El combustible que se utiliza en la planta se obtiene de una botella de hidrógeno, esta botella tiene una presión de 200 bar. A la salida de la botella hay un manoreductor para reducir esta presión hasta los 3 psi que se utilizan en el sistema, no hay que olvidar que la presión máxima de trabajo de la pila de combustible es de 3 psi. Del manoreductor el hidrógeno llega al sensor de caudal, el cual nos da el caudal instantáneo de hidrógeno que esta consumiendo la pila de combustible. Después se encuentra la válvula proporcional que controla el caudal de hidrógeno mediante la señal que le llega del microcontrolador. A continuación esta conectado el sensor de presión y la pila de combustible. El sensor de presión esta instalado entre la válvula y la pila de combustible, ya que la válvula introduce una pequeña perdida de presión y es posible que el manoreductor se regule a 3 psi pero a la entrada de la pila de combustible no lleguen mas de 2,5 psi para el máximo caudal, por eso se instala el sensor de presión entre la válvula y la pila de combustible, para asegurar los 3 psi a la entrada de la pila de combustible. Si se observa en la caja de instrumentos que la presión a la entrada de la pila de combustible es menor a los 3 psi se puede aumentar la presión de salida del manoreductor aunque esté por encima de los 3 psi. La pila de combustible incorpora un control box, el cual controla la velocidad de los ventiladores que hay instalados en la parte superior e inferior de la pila de combustible. Estos ventiladores sirven para disipar el calor y para forzar la entrada de oxígeno en la pila. El control box también controla un pequeño solenoide que periódicamente purga la pila de hidrógeno, este solenoide se instala por seguridad, para no exceder la presión de funcionamiento en el interior de la pila. 19

21 Memoria descriptiva Pila de combustible La pila de combustible que está instalada en la universidad es de la marca BCS Fuel Cell, inc. Es un modelo de pila de combustible tipo PEM con 22 celdas y los electrodos tienen un área de 50 cm 2, la potencia máxima de salida es de 130 W, tiene una temperatura máxima de funcionamiento de 70 ºC y la presión de funcionamiento es de 0 a 2 psi. Fig. 2.11: Pila de combustible PEM Para obtener más información sobre el funcionamiento de la pila de combustible referirse al capítulo Resultados experimentales de este proyecto o al manual de la pila de combustible incluido en el capítulo Anexos de este proyecto Válvula proporcional La válvula que se ha instalado en la planta es una válvula proporcional de la casa ASCO, pertenece a la serie 202 y tiene la referencia SC.G202A204V. Fig 2.12: Válvula proporcional Fig 2.13: Caudal proporcional Esta válvula proporciona un caudal variable proporcional a la señal de mando que le llega del microcontrolador, como se puede ver en la figura La señal de mando debe ser de 0 a 24 V, pero la señal que se obtiene del microcontrolador es de 0 a 5 V, por lo tanto en la placa de adquisición de datos se montará un circuito elevador de tensión para pasar los 5 V a los 24 V necesarios para esta válvula. La válvula escogida puede dar hasta un caudal de 2,9 l/min, pero a la presión que se trabaja el caudal que da es menor, sobre los 2,2 l/min, suficientes para el sistema, ya que la pila de combustible tiene un consumo máximo de 2 l/min. Para obtener más información referirse al manual de incluido en el capítulo Anexos de este proyecto. 20

22 Memoria descriptiva Sensor de presión Fig 2.14: Foto sensor de presión y esquema de conexionado El sensor de presión que está instalado en la planta está fabricado por STW, su rango de medida va de 0 a 400 mbar, dando una señal de salida de 4 a 20 ma, se pueden utilizar dos tipos de conexión, a dos y a tres hilos, se ha decidido utilizar la conexión a tres hilos, la cual podemos ver en la figura El sensor va alimentado a una tensión de 24 V que proporciona la fuente de alimentación que hay instalada en la caja de monitorización. La señal de 4-20 ma va a la caja de monitorización donde se trata para mostrar el valor de la presión en psi en uno de los displays. Esta señal también se conecta al microcontrolador para que la pueda utilizar como variable de su programa. Para obtener más información referirse al manual incluido en el capítulo Anexos de este proyecto Sensor de caudal El sensor de caudal que está instalado en la planta es de la marca Iberfluid Instruments, modelo D Fig. 2.15: Sensor de caudal Este sensor de caudal es exclusivamente para hidrógeno y tiene un rango de medida de 2 l/min, con una señal de salida de 4-20 ma. Se alimenta a 24 V. 21

23 Memoria descriptiva Interfase de monitorización La interfase de monitorización tiene varias funciones, las principales son: 1.- Mostrar la tensión y la corriente de salida de la pila de combustible. 2.- Mostrar el caudal y la presión del hidrógeno. 3.- Proporcionar las tensiones de alimentación necesarias para el sistema 4.- Enviar los datos que provienen de la planta al microcontrolador para que haga el control. 5.- Adecuar la tensión de control de la válvula que proporciona el microcontrolador al nivel necesario para alimentar la válvula proporcional Frontal interfase de monitorización Fig. 2.16: Frontal interfase de monitorización En el frontal de la interfase de monitorización se pueden ver 6 funciones diferentes: 1.- Interruptor de encendido. Este interruptor sirve para dar tensión a la caja de monitorización y también a todos los componentes del sistema. 2.- Displays: En ellos se puede ver en tiempo real la tensión y corriente de salida de la pila de combustible y la presión y caudal del hidrógeno. Los rangos que muestran son los siguientes: - Tensión: 0 a 20 V - Corriente: 0 a 10 A. - Presión: 0 a 5.8 psi - Caudal: 0 a 2 l/min 3.- Tensión pila de combustible: En el frontal se han colocado dos salidas de la tensión de la pila de combustible, en ellas se conectará el convertidor DC/DC u otras aplicaciones. 22

24 Memoria descriptiva 4.- Fuentes de alimentación: Uno de los requisitos del diseño era dejar disponible tensiones de alimentación disponibles para otros equipos, en el frontal se ha instalado una salida de 5 V con 10 W y 24 V con 15 W. 5.- Control válvula: Tenemos la posibilidad de controlar el caudal de hidrógeno manualmente mediante el potenciómetro que se ha instalado en el frontal, para hacer el control manual se debe poner el interruptor en la posición manual, si se quiere que el control esté en manos del microcontrolador se pondrá el interruptor en la posición automática. 6.- Salida de datos: Se ha instalado un conector DB9 con las salidas de datos hacia el microcontrolador y las tensiones de alimentación de 5 V y 24 V para alimentar la placa del microcontrolador y la del convertidor DC/DC, las conexiones son las siguientes: Trasera interfase de monitorización 1 - Entrada válvula V 4 - Masa V 6 - Señal caudal 7 - Señal presión 8 - Señal corriente pila de combustible 9 - Señal tensión pila de combustible Fig. 2.17: Trasera interfase de monitorización En la parte posterior de la caja de monitorización se encuentran el conector de red con su portafusible y los conectores de la entrada de la tensión de la pila de combustible y el conector DB9 con el que se comunica con la planta, las conexiones de este DB9 son: 1 - Masa V 6 - Salida señal válvula 7 Señal sensor presión 8 Señal sensor caudal 23

25 Memoria descriptiva Interior interfase de monitorización Fig. 2.18: Interior interfase de monitorización En el interior de la interfase de monitorización se pueden distinguir las dos placas de circuito impreso y el transformador. La interfase de monitorización contiene la placa de las fuentes de alimentación, esta placa se puede ver en la parte inferior izquierda de la figura 2.18, la otra placa incluida es la de adquisición de datos, esta placa se puede ver en la parte central Fuente de alimentación Para alimentar el sistema se necesitan tres tensiones diferentes: ±5 V. La tensión simétrica se utiliza para alimentar los amplificadores de instrumentación que se encuentran en la placa de adquisición de datos. El circuito del microcontrolador y los displays de la interfase de monitorización utilizan únicamente la tensión de +5 V. +24 V.- Esta tensión se utiliza para alimentar la planta. Los sensores, los ventiladores de la pila de combustible, el control box de la pila de combustible y la válvula proporcional van alimentados a 24 V. +15 V.- Esta tensión se utiliza exclusivamente para producir los impulsos de disparo del transistor MOSFET del convertidor elevador. Las fuentes de 5 V y 24 V forman la placa que se ha denominado fuente de alimentación. La fuente de 15 V solo se utiliza en la placa del convertidor por lo tanto se decidió montarla con él, es decir esta fuente está físicamente en la misma placa del convertidor DC/DC. La tensión de -5 V se obtiene mediante una pequeña fuente montada con un regulador lineal instalada en la placa de adquisición de datos. 24

26 Memoria descriptiva Fuente de alimentación de ±5 V Figura 2.19: Circuito fuente de alimentación 5 V Como se verá en la memoria de cálculo, para la tensión de 5 V se necesita una corriente de 2 A, por lo tanto desde el principio se desechó la idea de utilizar un regulador lineal de tensión, ya que tienen un rendimiento muy bajo y para las corrientes que podrían llegar a pasar se calentaría en exceso. Se decidió utilizar una fuente conmutada tipo buck. Se buscaron diferentes tipos de reguladores conmutados y otros tipos de circuitos que existen para construir este tipo de fuentes y al final nos decantamos por el LM2576 ya que es un modelo para 3 A y no necesita muchos componentes para funcionar. Para la tensión de 5 V se utiliza el regulador LM , este regulador proporciona una tensión de 5 V a la salida con una tensión de entre 8 y 40 V. Otra ventaja de este tipo de reguladores es la sencillez de diseño y montaje, ya que necesita de muy pocos componentes, comparado con otras soluciones, para su funcionamiento, simplemente necesita un condensador a la entrada y otro a la salida, un diodo y una bobina. Estos componentes están calculados en la memoria de cálculo. Figura 2.20: Circuito fuente de alimentación -5 V Para alimentar a los amplificadores de instrumentación de la placa de adquisición de datos se ha utilizado una tensión simétrica. Los amplificadores de instrumentación utilizados son específicos para alimentarse con tensiones asimétricas, pero alimentándolos asimétricamente aparece una pequeña tensión de offset a la salida del amplificador de instrumentación. Para las tensiones adquiridas por el microcontrolador no hay ningún inconveniente, ya que esa tensión de offset siempre 25

27 Memoria descriptiva tiene el mismo valor y mediante el programa se puede corregir. El problema se encuentra en los displays instalados en la interfase de monitorización, estos displays no disponen de ajuste de 0, por lo tanto si alimentamos asimétricamente nos aparece una pequeña lectura en el display habiendo ausencia de señal. Al alimentar simétricamente este problema desaparece Fuente de alimentación de 24 V Figura 2.21: Circuito fuente de alimentación 24 V Con la fuente de alimentación de 24 V nos encontramos con la misma situación que con la de 5 V, se necesita una elevada corriente de salida para alimentar la planta y además se quiere sobredimensionarla para poder conectar otros circuitos en un futuro, por lo tanto también se ha utilizado una fuente conmutada. Para la tensión de 24 V se utiliza el regulador LM2756-ADJ, este regulador conmutado proporciona en la salida una tensión que se le fija mediante un simple divisor de tensión, este divisor debe bajar la tensión de salida del valor que se necesita hasta los 1.23 V que tiene que haber en la patilla 4 (feedback) del regulador, el regular se encarga de que siempre haya estos 1.23 V en esta patilla y por lo tanto, gracias al divisor de tensión, se tendrá la tensión que se precisa a la salida. El regulador ajustable permite tener una tensión de entre 1.23 V y 37 V a la salida Fuente de alimentación de 15 V Figura 2.22: Circuito fuente de alimentación 15 V La tensión de 15 V solo se utiliza para generar los pulsos que hacen el disparo del transistor MOSFET, por lo tanto no será necesaria mucha potencia. Por ese motivo se decidió utilizar un regulador lineal de tensión, mucho mas barato que los reguladores conmutados y mas fáciles de montar, ya que solo precisan un condensador de filtrado a 26

28 Memoria descriptiva la entrada y otro a la salida. Nos decantamos por un regulador de la familia 78XX, concretamente el 7815 que proporciona en la salida una tensión de 15 V. El inconveniente de este tipo de reguladores es que disipan una gran cantidad de energía, concretamente, P dis = (V in -V out ) I, en este caso la corriente no es muy elevada y la disipación es mínima, ni siquiera es necesario el uso de un disipador de calor para esta aplicación. Para filtrar la tensión de entrada se ha utilizado un condensador electrolítico de 1000 µf, para la salida se ha optado por dos condensadores uno de 3.3 µf de poliéster y uno de 100 nf para filtrar las posibles altas frecuencias que se podrían generar en la placa, ya que esta fuente alimenta el driver del convertidor y no olvidemos que funciona a una frecuencia de 50 khz Adquisición de datos Esta placa se encarga de hacer de enlace entre la planta y el sistema de control, a grandes rasgos tiene cinco funciones diferentes, cuatro de ellas son adecuar las señales que provienen de la planta para ser mostradas por los displays y enviadas al microcontrolador y la última función es elevar la tensión que proporciona el microcontrolador a la que necesita la válvula para funcionar. Las cuatro señales provenientes de la planta son la tensión y la corriente de salida de la pila de combustible, el caudal y la presión del hidrógeno Adquisición tensión pila de combustible Figura 2.23: Circuito adquisición tensión pila combustible Para mostrar la tensión de salida la pila de combustible en el display y enviarla al microcontrolador se utiliza un circuito con dos divisores de tensión. El primer divisor de tensión reduce los 20v máximos que podemos tener a la salida de la pila a los 5 V que podemos conectar a la entrada del microcontrolador. Con el potenciómetro se reducen estos 5 V a los 200 mv máximos que puede mostrar el display, de esta forma se consigue que a 20 V en la pila se tengan 200 mv en el display y se muestre una lectura de

29 Memoria descriptiva Adquisición corriente pila de combustible Figura 2.24: Circuito adquisición corriente pila combustible Para la medida de la corriente de la pila se ha utilizado una resistencia de poco valor ohmico, concretamente 51 mo, en serie con el circuito de carga que alimenta la pila de combustible. La resistencia se conecta entre la carga y la masa del circuito para que las tensiones en bornes de la resistencia sensora sean menores. Esta resistencia tiene que tener una potencia bastante elevada, ya que la corriente que pasará a través de ella puede llegar a los 10 A. Mediante un amplificador de instrumentación se calcula la diferencia de potencial en los extremos de esta resistencia y sabiendo la diferencia de potencial y el valor ohmico se obtiene una tensión proporcional a la corriente que pasa por ella. La diferencia de potencial en bornes de la resistencia sensora es una tensión de poco valor, en torno a decenas de milivoltios, para elevar esta tensión hasta valores cercanos a los 5 V se le da una ganancia al amplificador de instrumentación. La tensión de salida del amplificador de instrumentación tendrá un valor máximo de 5 V, por lo tanto se puede conectar directamente al microcontrolador. Para mostrar la lectura en el display se utiliza un divisor de tensión para reducir la amplitud de la señal. El display mostrará una lectura de 0 a 10 A que es el rango de corriente que puede suministrar la pila de combustible Adquisición presión hidrógeno Figura 2.25: Circuito adquisición presión de hidrógeno Para adecuar la señal que proviene del sensor de presión se ha utilizado una resistencia de 250 O para transformar la señal de 4-20 ma en un tensión de 1 a 5 V, esta tensión se conecta a un amplificador de instrumentación, al cual por su entrada negativa se le introduce un voltio para referenciar la señal a 0 V, consiguiendo a la salida una 28

30 Memoria descriptiva tensión de 0 a 4 V, siendo 4v => 400 mbar de presión. La salida del amplificador de instrumentación va directa al microcontrolador. Se hace pasar esta tensión por un divisor de tensión y se conecta al display. El display mostrará una lectura de 0 a 5.80 psi (400 mbar) Adquisición caudal hidrógeno Figura 2.26: Circuito adquisición caudal de hidrógeno Para adecuar la señal que proviene del sensor de presión se ha utilizado una resistencia de 250 O para transformar la señal de 4-20 ma en un tensión de 1 a 5 V, esta tensión se conecta a un amplificador de instrumentación, al cual por su entrada negativa se le introduce un voltio para referenciar nuestra señal a 0v, consiguiendo a la salida una tensión de 0 a 4 V, siendo 4 V => 2.00 l/min de hidrógeno. La salida del amplificador de instrumentación va directa al microcontrolador. Se hace pasar esta tensión por un divisor de tensión y se conecta al display. El display mostrará una lectura de 0 a 2.00 l/min que es el rango de caudal que consume la pila de combustible Elevador de tensión Figura 2.27: Circuito elevador de tensión La válvula que hay instalada en la planta para controlar el caudal de hidrógeno necesita una tensión variable entre 0 y 24 V para dar un caudal proporcional a esta tensión. La tensión que se obtiene a la salida del convertidor D/A es de 2.56 V, y se eleva a 5 V con un amplificador no inversor de ganancia 2. En el frontal de la interfase 29

31 Memoria descriptiva de control se ha instalado un potenciómetro para poder variar manualmente el caudal de la válvula La tensión de salida que proporciona este potenciómetro también tiene un rango de 0 a 5 V, por lo tanto se ha introducido en esta placa un circuito para elevar esta tensión hasta los 24 V y obtener la corriente necesaria que necesita la válvula para funcionar. El funcionamiento de este circuito es muy sencillo, tiene un divisor de tensión que adecua la tensión de salida del circuito para que mediante un amplificador operacional la comparemos con la tensión que proviene del microcontrolador o del potenciómetro. Este amplificador operacional se irá saturando positivamente cuando la tensión de salida sea menor que la deseada. La salida del operacional actúa sobre la base de un transistor BJT de potencia, el cual conducirá cada vez que el operacional se sature positivamente, es decir, cada vez que la tensión de salida sea menor que la deseada Microcontrolador El circuito del microcontrolador es el encargado de realizar el control del caudal de hidrógeno en función de la tensión de salida y también controla el ciclo de trabajo del convertidor DC/DC para tener una tensión de 42 V a la salida del mismo. Para hacer este control utiliza la información que le proporciona la caja de monitorización. Las señales que provienen de la caja de monitorización se pueden introducir directamente al microcontrolador ya que vienen preparadas para que no sobrepasen los 5 V que como máximo puede adquirir el microcontrolador Microcontrolador Figura 2.28: Circuito microcontrolador El microcontrolador escogido para este sistema ha sido el PIC16F877, es un microcontrolador muy completo, y tiene todo lo necesario para el control de este sistema. En este caso se ha utilizado una velocidad de reloj de 10 MHz, esta velocidad es la necesaria para poder obtener la velocidad de 50 khz necesaria para el PWM y 30

32 Memoria descriptiva tener margen para poder controlarla. De los periféricos que tiene este microcontrolador se han utilizado los siguientes: - Entradas analógicas: Tiene 8 entradas analógicas, las cuales las convierte a un número de 10bits. Para este sistema se han utilizado 6 de estas entradas analógicas. - Salidas digitales: Se ha utilizado el puerto D de 8 bits para hacer la salida del valor de la abertura de la válvula proporcional, estos 8 bits se conectan externamente a un convertidor D/A para obtener la señal definitiva de control. - Módulo PWM: Tiene dos módulos PWM, para este sistema se ha utilizado uno de ellos, se fijo mediante el programa una frecuencia de trabajo de 50 khz y dependiendo de la tensión de salida del convertidor se regula el ciclo de trabajo para obtener los 42 V a la salida. -Temporizadores: Este dispositivo dispone de tres temporizadores, en este sistema se utilizan dos de ellos, uno para hacer los temporizadores para controlar los tiempos del programa y el otro para obtener la señal PWM. Se ha utilizado el programa MPLAB IDE v6.50 para la realización del programa de control, su compilación y la grabación en el PIC. El grabador que se ha utilizado es un PICSTART PLUS. Tanto el programa como el programador son de la marca Microchip. Para obtener más información de este dispositivo se han incluido las páginas más importantes de su manual en el capítulo de Anexos de este proyecto Adquisición tensión y corriente convertidor DC/DC Figura 2.29: Circuito adquisición tensión y corriente convertidor DC/DC Para hacer la adquisición de la corriente se ha utilizado una resistencia de bajo valor ohmico, al igual que en el circuito de adquisición de la corriente de salida de la 31