integración de la energia solar con celdas combustible

INTEGRACIÓN DE LA ENERGIA SOLAR CON CELDAS COMBUSTIBLE
Rodríguez Valdelamar, J.L.(1); Orozco Gamboa, G.(2); Antaño López, R.(2); Sánchez Páez, J.L.(3);
(1) Ingeniería Electrónica
(2) Electroquímica
Centro de Investigación y Desarrollo Tecnológico en Electroquímica S.C.
(3)
Ingeniería Electrónica
Instituto Tecnológico de Querétaro
RESUMEN
Se desarrollaron tres fases experimentales para comprender el funcionamiento de dispositivos que
convierten energía química en energía eléctrica llamadas pilas o celdas de combustible.
En la primera fase experimental se construyeron circuitos electrónicos para efectuar mediciones del
desempeño de una celda de combustible tipo PEM. Las mediciones efectuadas para determinar el
voltaje y la corriente de la celda se llaman curvas de polarización, y fue efectuada una de estas para una
celda de combustible de área de campo de flujo de 5 cm2. Otro tipo de mediciones corresponden a la
determinación de la impedancia de la celda, la cual se efectúa utilizando tres equipos electrónicos, que
son a decir, un potenciostato, un analizador de respuesta de frecuencia y una carga electrónica. La celda
combustible genera una corriente y voltaje superior a lo que los equipos electrónicos de laboratorio
pueden aceptar, por lo que para este conjunto de mediciones fueron desarrollados un circuito divisor de
corriente y un divisor de voltaje, los cuales permiten integrar los equipos electrónicos necesarios para la
medición.
En otra fase experimental se realizaron una serie de prácticas de un dispositivo educativo, que integra
energía solar con celdas combustible. El equipo educativo se denomina en ingles FUEL CELL Car &
Experiment Kit. La celda de combustible de este dispositivo puede ser utilizada como celda de
electrólisis y como celda de combustible. Como celda de electrólisis se utiliza la corriente de las celdas
fotovoltaicas para la generación de gases (H2 y O2), y se determino la eficiencia de este proceso.
Posteriormente los gases generados son utilizados en la celda combustible, y se determinó la potencia
eléctrica de la celda combustible.
En una última fase experimental se diseño un inversor (convertidor de CD a CA) que nos permite
obtener 120 V de corriente alterna a partir de una celda de combustible que proporciona 7 V de
corriente directa. Se toma en cuenta que la celda de combustible suministra la corriente necesaria para
dicho propósito.
INTRODUCCIÓN
Las celdas de combustible son dispositivos que convierten energía química en energía eléctrica. A
medida que los reactantes son suministrados a la celda esta produce electricidad. En las celdas, el
combustible es oxidado continuamente en uno de los electrodos –el ánodo- mientras se reduce oxígeno
en el otro electrodo –el cátodo-. Desde este punto de vista, la reacción que tiene lugar en la celda es
similar a una reacción de combustión, pero sigue mediante reacciones electroquímicas que generan
corriente eléctrica. A partir de 1973, y debido principalmente a la crisis del petróleo, surge un enorme
interés en las aplicaciones terrestres de estos sistemas basado en la posibilidad de aumentar
considerablemente la eficiencia de la conversión de energía eléctrica. Las celdas de combustible pueden
ser instaladas sin perjuicios ambientales en zonas con alta densidad de población. El objetivo de este
tipo de generación de energía es que a través de paneles fotovoltaicos proporcionemos el potencial
necesario para que se efectúe la electrólisis del agua, los gases generados sean almacenados, y de esta
manera la energía se almacena cuando existe luz solar, para que posteriormente por medio de una celda
de combustible se hagan reaccionar para la producción de electricidad en horas nocturnas. Las celdas
combustible y las celdas fotovoltaicas pueden ayudar a solucionar el problema de generación de energía
cuando el petróleo se agote, que en México se espera sea en 15 años. Este proceso descrito
anteriormente se realizará con el FUEL CELL Car & Experiment Kit el cual cuenta con el panel solar,
celda de combustible, y los elementos necesarios para dicho proceso, haciendo notar que este proceso es
a pequeña escala, y con un objetivo educativo.
PRIMERA FASE EXPERIMENTAL (MEDICIÓN DEL DESEMPEÑO DE LA CELDA DE
COMBUSTIBLE)
Se realizó la descarga de una celda de combustible Electro-Chem, mostrada en la figura 1. Las
condiciones de operación fueron de 15lbs/cm2 a 30˚C con una entrada constante de hidrógeno y
oxígeno, teniendo como carga eléctrica el equipo ECL150 donde la corriente fue el parámetro que se
modificó para ver el efecto en el potencial de la celda. En el gráfico se observa la respuesta de voltaje de
la celda a demandar una corriente, y se observa la potencia obtenida, la cual tiene la forma de una
parábola.
1
VOLTAJE (V)
POTENCIA (W)
0,9
0,8
0,7
0,6
0,5
0,4
0,3
0,2
0,1
0
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1
1,1
1,2
1,3
1,4
1,5
1,6
1,7
1,8
1,9
2
2,1
CORRIENTE (A)
FIGURA 1 CURVA DE POLARIZACIÓN, COMPORTAMIENTO DE VOLTAJE Y POTENCIA AL AUMENTAR LA DEMANDA
DE CORRIENTE
Los circuitos desarrollados para integración de la medición de impedancia de la celda son mostrados en
la figura 2, y además se muestra el montaje experimental que permite determinar la impedancia de la
celda de combustible.
FIGURA 2 CIRCUITO Y MONTAJE PARA EL DESARROLLO DE LA DESCARGA DE LA CELDA
SEGUNDA FASE EXPERIMENTAL (FUEL CELL, CAR & EXPERIMENT KIT)
El kit educativo es el proceso de integración de energía solar y celdas de combustible, que permite a un
auto de juguete funcionar. Consta de celda fotovoltaica, una celda dual de electrólisis y de combustible,
2 tanques de 12 y 24 ml para el almacenamiento de O2 y H2 respectivamente, un recipiente para el
almacenamiento de agua destilada y motor de CD para pruebas. La celda y las mangueras que la
conectan con los tanques se llenan completamente de agua eliminando burbujas de aire y por medio de
la celda fotovoltaica al ser alumbrada por los rayos del sol se aplica el potencial a los electrodos de la
celda y se produce la electrólisis del agua (se utiliza agua destilada para este propósito y la celda
funciona como celda electrolítica), los gases obtenidos O2 y H2 son almacenados en los tanques, la
velocidad de generación de gases fue de 0.0266ml/s de H2 y de 0.0133ml/s de O2, para hacer esta
separación se suministro un voltaje de 1.56V proveniente de la celda fotovoltaica con una corriente de
0.19A. Los gases acumulados permiten funcionar a la celda como fuente de energía eléctrica si es
retirada la celda fotovoltaica. El diagrama eléctrico así como el dibujo del pequeño carro experimental
se muestra en la figura 3.
FIGURA 3 DIBUJO Y CIRCUITO ELÉCTRICO DEL KIT EXPERIMENTAL, CELDA SOLAR, CELDA DE COMBUSTIBLE Y LA
CARGA.
La celda de combustible proporciona un voltaje de 0.753V y una corriente de 0.13A, suficientes para
que el motor CD permita que el auto eléctrico camine. Con el potencial de salida de la celda
combustible obtenemos la eficiencia (η) de esta, la cual se define como la razón del voltaje
proporcionado por la celda a plena carga entre el voltaje necesario para producir la electrólisis del agua,
y el dato encontrado experimentalmente corresponde una eficiencia del 48%.
FIGURA 4 FOTOGRAFÍA DEL CAR & EXPERIMENT KIT
TERCERA ETAPA EXPERIMENTAL (ETAPA DE POTENCIA, INVERSOR)
Se diseño un inversor para celda combustible (7V) , ya que los comerciales están diseñados para
baterías plomo ácido (12V). El convertidor diseñado permite generar a partir de 7volts de una celda
electroquímica una tensión de 120 V de corriente alterna, y soporta cargas de 150 W, aunque es posible
llegar a los 300W reduciéndose ligeramente la tensión a la salida. El tipo de onda suministrada por la
salida del circuito es cuadrada. Normalmente los convertidores de este tipo producen gran cantidad de
armónicos y ondas distorsionadas. En este caso se produce una señal libre de distorsiones y picos
indeseables ya que los transistores de salida tienen una respuesta extremadamente rápida (15ns). El
circuito puede dividirse en tres partes: oscilador, previo y etapa final. Primero contamos con el
oscilador patrón, que suministra una frecuencia de 55Hz, por división de un resonador cerámico de
455KHz. El circuito encargado de generar esta señal es del tipo 4060 el cual contiene internamente un
oscilador y varias etapas divisoras conectadas en serie. En las patitas 10 y 11 se conecta el elemento
resonante, que puede ser, tanto un cristal de cuarzo, un resonador o un circuito L-C. El ajuste C1
permite obtener una frecuencia más exacta, así como mejorar la amplitud y forma generada por el
resonador, ya que es posible compensar las capacidades internas del chip. En la terminal 2 del IC1,
obtenemos una señal cuadrada de 55Hz con una amplitud de 7V. Esta salida ataca al siguiente circuito
integrado, el 4069 que dispone de 6 inversores internos. La configuración puede apreciarse en el
esquema eléctrico, en este esquema los 7V provienen de la celda de combustible. En primer lugar, tres
inversores que han sido colocados en paralelo, envían señal a los otros tres inversores restantes.
También colocados en forma paralela. De la conexión de estos últimos se toma una de las salidas para
la etapa de salida. La otra salida se toma de los primeros 3 inversores en paralelo. La etapa de salida
esta formada por cuatro transistores del tipo MOS POWER de canal N (IRF530). Se ha seleccionado
este tipo de componente, ya que cuenta con una serie de excelentes características: corriente del
drenador 14amp, resistencia interna del dren-fuente 0.1-0.3ohms, Respuesta de 15nSeg. Por ultimo
colocamos un transformador que comúnmente se usa de 120V a 6V con tierra, de manera contraria, la
entrada será la de 6v y la salida será la de 120V. El inversor fue evaluado con celdas fotovoltaicas
iluminadas con un foco de luz incandescente de 100W –para realizar las pruebas-, y posteriormente se
evaluó con una batería de acido-plomo de 6 V- 12Ah, observando para los dos casos un correcto
funcionamiento, ya que el inversor proporciono un voltaje de 110V corriente alterna suficientes para
alimentar una lámpara común. Se espera posteriores investigaciones para evaluar el inversor con una
celda de combustible En la figura 4 se muestra la fotografía.
FIGURA 4 CIRCUITO ELÉCTRICO DEL CONVERTIDOR Y FOTOGRAFÍA EN PLENO FUNCIONAMIENTO.
CONCLUSIONES
La estancia permitió conocer la tecnología de celdas combustible, así como su integración con celdas
fotovoltaicas para acumular energía en el combustible hidrógeno.
La curva de polarización permitió entender que una de las características de las celdas de combustible,
es proporcionar mucha corriente pero a bajos voltajes.
Las mediciones de impedancia no fueron realizadas, pero fueron aplicados conocimientos de electrónica
en el desarrollo de circuitos que permiten desarrollar las mediciones, ya que se integran diferentes
equipos.
El kit educativo permitió comprender las bases de método de producción de energía con base en
energías renovables. La eficiencia del proceso en el kit experimental es de 48%, este valor esta en el
rango de las celdas de combustible que es entre el 40 y el 64%, comparado esto con otro tipo de
producción de energía, como por ejemplo un automotor en donde para la producción de 100KW la
eficiencia es de hasta 23%, la diferencia es evidente, por lo tanto las celdas de combustible son más
eficientes.
El inversor de corriente construido funciona satisfactoriamente y será probado en el futuro con una
celda combustible.
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
Alonso-Vante, N., “Electroquímica y electrocatálisis Vol 1b”, Nicolás Alonso-Vante (ed.), 2002.
L.Boylestad, R, “Análisis introductoria de circuitos”, Trillas, 1978.
Ellen Bouden, M, “Chemistry Is Electric”, Sttege/Thomson Communications, 1997.