Celdas de Combustible Fundamentos y Aplicaciones Leonardo Palma F., PhD. Departamento de Ingeniería Eléctrica Facultad de Ingeniería Universidad de Concepción 1
Celdas de Combustible Que es una celda de combustible? Una celda de combustible es un elemento electro químico de conversión de energía. En ella se combinan hidrógeno y oxigeno en la presencia de un electrolito y catalizador para generar electricidad y agua. 2
Celdas de combustible - Reacción Química Ánodo H 2 2H + + 2e Cátodo ½ O 2 + 2H + + 2e H 2 O Reacción competa H 2 + ½ O 2 H 2 O Voltaje teórico 1.229 V @ 1 atm, 25 C 3
Celdas de combustible Curva de polarización 4
Celdas de combustible Pros y contras Pros. Alta eficiencia (46 70%) Bajas emisiones Fácil mantención Pocas partes móviles Bajo ruido Generación distribuida con cogeneración Cons. Ciclo de vida útil desconocido Pérdida de eficiencia en el tiempo Mayor costo de inversión Tecnología emergente Pocos proveedores Ausencia de red de distribución de combustible 5
Celdas de combustible Tipos de celdas Celda de combustible Alcalina Celda de Combustible con membrana de intercambio de protones Celda de combustible de ácido fosfórico Celda de combustible de carbonato fundido Celda de combustible de oxido sólido 6
Celda de Combustible Alcalina Electrolito: KOH (solución de Hidróxido de Potasio) Eficiencia: 40-50% Rango de temperatura: 65 C-220 C Ventajas: - Alta Eficiencia - Baja Temperatura de Operación - Electrolito y Catalizador de Bajo Costo Desventajas: - Seguridad - Corrosión - Generación de agua en el ánodo
Celda de Combustible de Membrana de Intercambio de Protones Electrolito: Membrana de intercambio de protones Eficiencia: 35-50% Temperatura de operación: 80 C Ventajas: - Alta densidad de potencia -Rápida puesta en marcha - Baja temperatura de operación - Sistema simple Desventajas: - Alto costo de membrana y catalizador - Lenta dinámica i - Fácilmente contaminada
Celda de Combustible de Acido Fosfórico Electrolito: Acido Fosfórico Eficiencia: 35-45% Rango de Temperatura: 200 C Ventajas: - Generación de Calor - Tiempo de partida Razonable - Electrolito de bajo costo Desventajas: - Corrosión - Catalizador de alto costo - Fácilmente contaminado con impurezas
Celda de Combustible de Carbonato Fundido Electrolito: Carbonato Fundido Eficiencia: 50-60% Rango de Temperatura: 650 C Ventajas: - Puede ser alimentada con hidrocarburos - Catalizador de bajo costo - Generación de Calor - Alta eficiencia y rápida dinámica Desventajas: j - Lenta puesta en marcha - Sistema complejo - Materiales deben ser compatibles con alta temperatura
Principios de Operación de distintos tipos de Celdas de Combustible
Celdas de combustible Comparación de tecnologías 12
Celdas de combustible Comparación de tecnologías 1000 800 SOFC (< 1 [MW]) 600 MCFC (> 1[MW]) Temp. [ C ] 120 200 [ C ] PAFC (< 1[MW]) 100 AFC (< 20[kW]) 80 60 DMFC (< 10[kW]) PEMFC (< 250[kW]) 30 35 40 45 50 55 60 Efficiency [%] 13
Celda de combustible como una fuente de energía eléctrica 45 Fuel Cell V-I Curve (V) Fue el cell voltage 40 35 30 25 20 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 Current (A) La celda de combustible no se comporta como una fuente ideal. La tensión en terminales varia de 2 1pu desde vacío a plena carga. La capacidad de sobrecarga de la pila de combustible es limitada. 14
Celda de combustible como una fuente de energía eléctrica (cont.) La respuesta dinámica de la celda de combustible es lenta (2 5 ms y 20 ms) si el suministro de combustible es ajustado para máxima eficiencia. Requiere de un número de periféricos para operar (bombas, ventiladores, etc.). Lenta puesta en marcha debido a restricciones térmicas. 15
Consideraciones de diseño Debido a la baja tensión en los terminales de la celda de combustible se requiere de un convertidor DC DC con gananciarelativamente alta ( 1:10) Además el convertidor DC DC debe ser capaz de compensar por la variación en la tensión de la celda a medida que la carga aumenta (2:1) mientras mantiene una buena regulación en el voltaje de salida. Para limitar la reducción de potencia disponible, sobrecarga instantánea y aumentar la vida útil de la celda el ripple de corriente debe ser limitado para componentes de baja frecuencia (ex: 15% para 120Hz ripple). 16
Consideraciones de diseño Fuelcell & Reformer DC/DC Converter DC/AC Converter Transformer AC Output a b n Battery En general, por razones de seguridad, se requiere de aislación galvánica entre la celda y el sistema eléctrico. Por otro lado, dado que la pila de combustible / reformador tienen un retardo, la potencia peak debe ser suministrada i por un elemento de almacenamiento de energía tal como una batería o súper condensador. Debido a esto el acondicionador de potencia debe proveer de un medio para hacer la interfase con los elementos de almacenamiento. 17
Sistema de generación 18
Componentes de un sistema de generación Periféricos i Pila de combustible Acondicionador de potencia Procesador de combustible Compresor de aire Radiador Bombas de enfriamiento Etc. Combustible (Ánodo) Aire (Cátodo) Electrólito Membrana Catalizador Agua Manejo termal Convertidor DC/DC Almacenamiento de energía Inversor DC/AC Transformador Circuitería de control 19
Celdas de Combustible - Aplicaciones Notebook Residential Space Shuttle PDA Celdas de Combustible Car Cellular Phone Portable Scooter
Uso de Celdas de Combustible en aplicaciones móviles En el área de las aplicaciones móviles y portátiles las celdas de combustible aparecen como un buen candidato para el reemplazo de las baterías. Esto debido a su mayor densidad de energía (Wh/kg) y velocidad de recarga. 21
Uso de Celdas de Combustible en aplicaciones móviles En general las aplicaciones móviles operan con tensiones reducidas. Por tal razón la interfase entre la celda de combustible y el dispositivo a alimentar puede ser hecha mediante el uso de un convertidor simple. 22
Aplicaciones estacionarias de celdas de Combustible 23
Aplicaciones estacionarias de celdas de Combustible Generación Aislada En modo aislado o independiente de la red es comúnmente usado para suministrar energía en locaciones remotas. 24
Aplicaciones estacionarias de celdas de Combustible Generación Aislada El banco de baterías en este tipo de aplicaciones cumple una doble función. Suministrar peaks de potencia y proveer la energía necesaria para puesta en marcha de la pila de combustible. 25
Aplicaciones estacionarias de celdas de Combustible Generación Conectada a la Red ACCESSORY LOADS _ Start-up Pow er Controller FUEL CELL STACK DC-DC I dc V dc DC-AC L s L s L s Transformer I a I b V a V b Fuel Cell Control Hydrogen Input Gate Drive DC/DC Control SVPWM abc dq V d PI wl PI s PI I d V* d V* wl q s I q I d * dq abc A B C Electric Utility V q I q * Reference Signal Generator La potencia nominal ldel sistema es la misma que la máxima ái potencia de la pila de combustible En este caso no se requiere de banco de baterías o otro elemento de almacenamiento de energía. P* ref 26
Aplicaciones estacionarias de celdas de Combustible Sistemas de alta potencia (MW) Para obtener mayor tensión / potencia es necesario construir pilas de celdas de combustible. Sin embargo hay un limite en el número de celdas que pueden ser apiladas sin que los aspectos termales / manejo se vuelvan inmanejables. Por estas razones el máximo voltaje que puede ser obtenido de una celda de combustible en forma segura es de al rededor de 350V 27
Aplicaciones estacionarias de celdas de Combustible Sistemas de alta potencia (MW) Fuel Cell Turbine Hybrid DC/DC Converter Neutral Point Clamped Inverter with IGCT Devices Line Frequency Transformer Medium Voltage Utility Fuel Cell Turbine Hybrid 1 + - DC/DC + V o1-1:k Transformer Fuel Cell Turbine Hybrid 2 + - DC/DC + V o2 - Estos sistemas deben operar en media tensión (2300V, 4160V, 6600V o 11000V). Las arquitectas de acondicionador de potencia para media tensión deben ser implementadas usando IGCT o estructuras modulares en base a IGBTs 28
Aplicaciones estacionarias de celdas de Combustible Sistemas de alta potencia (MW) Múltiples convertidores trifásicos pueden ser combinados para lograr un voltaje mayor Media tensión y semiconductores de baja tensión pueden ser combinados. La tensión de salida es de alta calidad (reducido THD) A a c b C B 29
Aplicaciones estacionarias de celdas de Combustible Sistemas de alta potencia (MW) Conexión en cascada de unidades monofásicas Fuel Cell #1 DC/DC Converter Single Phase Inverter Block #4 Single Phase Inverter Block #7 Single Phase Inverter Ventaja: Electrónica de potencia de bajo voltaje Utility 15kV Block #2 Single Phase Inverter Block #3 Single Phase Inverter Block #5 Single Phase Inverter Block #6 Single Phase Inverter Block #8 Single Phase Inverter Block #9 Single Phase Inverter 50 Hz 3-phase Step-up Transformer 30
Aplicaciones de Celdas de Combustible en Transporte Terrestre En el area del transporte terrestre las celdas tipo PEM ofrecen ventajas debido a: Su baja temperatura de operación Alta potencia especifica Longevidad, eficiencia y durabilidad Sin embargo el combustible utilizado debe tener bajas concentraciones de CO, las que contribuyen a un deterioro de su performance.
Aplicaciones de Celdas de Combustible en Transporte Terrestre THERMAL MANAGEMENT WASTEHEAT Mgmt. FUEL SUPPLY FUEL PROCESSOR (GASOLINE H2 STACK DC/DC CONVERTER DC/AC INVERTER MOTOR TRANSMISSION OR METHANE) AIR Mgmt. SENSORS FUEL Mgmt. AND ELECTRONIC CONTROLS BATTERY CONTROL ELECTRONICS FOR DC/DC CONVERTER, INVERTER AND MOTOR CONTROL VEHICLE VEHICLE SYSTEM CONTROL