Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales Proyecto Fin de Carrera MODELIZADO DE UNA PILA DE COMBUSTIBLE PEMFC Y DESARROLLO DE INTERFAZ DE USUARIO PARA SU INCORPORACIÓN A LIBRERÍA MATLAB EXISTENTE Autor : Íñigo Rojas Blasco Tutores : Dr. Felipe Rosa Iglesias Fco. Javier Pino Lucena
MODELIZADO DE UNA PILA DE COMBUSTIBLE PEMFC Y DESARROLLO DE INTERFAZ DE USUARIO PARA SU INCORPORACIÓN A LIBRERÍA MATLAB EXISTENTE ÍNDICE DE CONTENIDOS 1. CAPÍTULO 1. HACIA UNA ECONOMÍA BASADA EN EL HIDRÓGENO.... 1 1.1. EL FIN DEL PETRÓLEO BARATO... 1 1.2. NUEVOS RUMBOS EN LA AUTOMOCIÓN... 3 1.3. LA GENERACIÓN, TRANSPORTE Y DISTRIBUCIÓN DEL HIDRÓGENO... 5 2. CAPÍTULO 2. LAS PILAS DE COMBUSTIBLE... 10 2.1. MECANISMO DE FUNCIONAMIENTO DE LAS PILAS DE COMBUSTIBLE 10 2.2. CARACTERÍSTICAS GENERALES DE LA OPERACIÓN CON PILAS DE COMBUSTIBLE... 12 2.3. VENTAJAS Y DESVENTAJAS DE LAS PILAS DE COMBUSTIBLE... 13 2.4. TIPOS DE PILAS DE COMBUSTIBLE... 15 3. CAPÍTULO 3. LAS PILAS DE COMBUSTIBLE DE MEMBRANA POLIMÉRICA O DE INTERCAMBIO PROTÓNICO (PEMFC)... 17 3.1. ESQUEMA DE FUNCIONAMIENTO DE UNA PILA TIPO PEM... 17 3.2. HISTORIA... 18 3.3. IMPLANTACIÓN Y EVOLUCIÓN DE LAS PILAS PEM... 19 3.4. ALGUNAS CARACTERÍSTICAS DE LAS PILAS PEM... 20 3.5. ELEMENTOS DE LAS PEMFC... 21 i
3.5.1. EL ELECTROLITO O MEMBRANA (PEM )... 21 3.5.2. LA CAPA DEL CATALIZADOR... 21 3.5.3. LA CAPA DE DIFUSIÓN DEL GAS (GDL)... 22 3.5.4. MEA... 23 3.5.5. LAS PLACAS BIPOLARES... 23 3.6. EL DISEÑO DE LAS PILAS PEMFC... 24 4. CAPÍTULO 4. CARACTERÍSTICAS FUNDAMENTALES DE LAS PILAS DE COMBUSTIBLE TIPO PEMFC, PARA REALIZAR SU MODELIZADO... 27 4.1. EL RENDIMIENTO DE LAS PILAS DE COMBUSTIBLE PEM... 28 4.2. ELECCIÓN DE LAS VARIABLES DEL MODELO... 32 4.2.1. TEMPERATURA DE LA CELDA... 33 4.2.2. CONDICIONES USUALES DE LOS GASES REACTIVOS A LA ENTRADA... 34 4.3. PÉRDIDAS DE ACTIVACIÓN, ÓHMICAS Y DE CONCENTRACIÓN... 34 4.3.1. PÉRDIDAS DE ACTIVACIÓN... 35 4.3.2. PÉRDIDAS ÓHMICAS... 38 4.3.3. PÉRDIDAS DE CONCENTRACIÓN... 44 5. CAPÍTULO 5. MODELO DE UNA PILA TIPO PEMFC... 48 5.1. OBJETIVOS DEL MODELO... 49 5.2. ECUACIONES DEL MODELO DE LA PILA... 49 5.2.1. VARIABLES DE ENTRADA Y DE SALIDA DEL MODELO... 49 5.2.2. ECUACIONES... 50 5.2.3. ÍNDICE DE PARÁMETROS... 54 5.2.4. OTROS DATOS PROPORCIONADOS POR EL MODELO... 55 ii
6. CAPÍTULO 6. DISCUSIÓN DE RESULTADOS... 58 7. CAPÍTULO 7. DESARROLLO DE INTERFAZ DE USUARIO E INCORPORACIÓN A LIBRERÍA MATLAB EXISTENTE.... 62 8. CAPÍTULO 8. APLICACIÓN. COMPARACIÓN DE RESULTADO CON PRUEBAS EXPERIMENTALES.... 69 9. CAPÍTULO 9. CONCLUSIONES FINALES... 74 10. CAPÍTULO 10. BIBLIOGRAFÍA... 77 iii
ÍNDICE DE GRÁFICAS Gráfica 1. Típica curva de polarización de una pila de combustible H 2 / aire, con la contribución de sus pérdidas........ 25 Gráfica 2. Diagrama Tensión Densidad de corriente de una celda 31 Gráfica 3. Comparación de la variación de la conductividad de diversas membranas al variar su humidificación...... 41 Gráfica 4. Rendimiento de las celdas, con y sin WML, a diferentes temperaturas de humidificación... 43 Gráfica 5. Comparativa Método tradicional Método CCM...... 45 Gráfica 6. Comparativa de los datos reales (puntos en rojo) con resultado de la simulación (línea continua azul)... 59 Gráfica 7. Comparativa de los datos reales (puntos en rojo) con resultado de la simulación (línea continua azul) Potencia........ 61 Gráfica 8. Curva de polarización de la pila de combustible.... 67 Gráfica 9. Variación de la presión del hidrógeno a la entrada de la pila..... 70 Gráfica 10. Datos de demanda de intensidad durante el experimento..... 72 Gráfica 11. Datos de tensión prporcionada por la pila durante el experimento y de resultados arrojados por la simulación....... 72 iv
ÍNDICE DE TABLAS Tabla 1. Reacciones en ánodo y cátodo en las pilas de combustible... 11 Tabla 2. Características principales de las pilas de combustible.. 16 Tabla 3. Descripción de los factores que determinan los parámetros ξi.. 36-37 Tabla 4. Valores de los parámetros ξi, según pruebas experimentales. 38 Tabla 5. de parámetros del modelo.... 54-55 Tabla 6. Parámetros de entrada al modelo de la pila... 58-59 Tabla 7. Datos de entrada de la simulación.... 70-71 v
ÍNDICE DE FIGURAS Figura 1. Partes fundamentales de una pila de combustible.... 12 Figura 2. Esquema de funcionamiento de una PEMFC.. 18 Figura 3. Elementos de una celda PEMFC..... 22 Figura 4. Proceso de solution-casting para membranas de Nafion. 39 Figura 5. Figura esquemática de la membrana compuesta autohumidificadora. 42 Figura 6. Comparación entre los diferentes diseños de los campos de flujo en los platos... 47 Figura 7. Bloque de Simulink del programa de simulación de la PEMFC... 63 Figura 8. Sistema de bloques bajo la máscara del bloque Pila de combustible PEMFC...... 64 Figura 9. Sistema completo de bloques para simulación de la pila ante una carga conocida. 66 Figura 10. Interfaz para introducción de los parámetros de la pila...... 67 vi