X JORNADAS DE INVESTIGACION 2012. Unexpo Vice-Rectorado Puerto Ordaz. Fernández H. Simulación en PSCAD de una Celda de Combustible PEM. 16 Simulación en PSCAD de una Celda de Combustible de Membrana con Intercambio de Protones Fernández Herman hfernandez@unexpo.edu.ve Unexpo Vice-Rectorado Puerto Ordaz Resumen— Las celdas de combustible apuntan como dispositivos de capital interés en la producción de energía limpia en el futuro. Actualmente se emplean en plantas eléctricas conectadas a la red, prestando servicio eléctrico a cargas aisladas, se encuentran instaladas en vehículos eléctricos, en naves espaciales y otros medios de transporte, mejorando la eficiencia en sistemas dependientes de fuentes de energía renovables, garantizando un tiempo de respaldo prácticamente indefinido en las fuentes de alimentación ininterrumpida, prestando el suministro de energía de equipos de comunicaciones, etc. El trabajo expone la simulación de una celda de combustible de membrana con intercambio de protones usando el PSCAD. Los resultados son similares a los reportados en la literatura. La elección del tipo de celda obedece a su preferencia para atender aplicaciones residenciales ubicadas en sitios aislados. Palabras clave— Celdas de Combustible, Intercambio de Protones, PEMFC, Energía Renovables, PSCAD. I. INTRODUCCIÓN A partir de una reacción química la Celda de Combustible (FC), produce energía eléctrica, además de desprender calor, agua y gases en menor proporción. La Fig.1 ilustra la estructura interna de una PEMFC [1]-[2]. Carga eléctrica e- Exceso de combustible Flujo iones positivos H+ H2 Combustible Hidrógeno Aire Oxígeno u oxidante Electrolito Conductor de Iones O2 Flujo iones negativos H2O Calor Catalizador Ánodo (-) Catalizador Electrones Cátodo (+) H2O Fig.1 Estructura interna de una PEMFC. Jornadas de Investigación 2012 El voltaje generado está determinado por el número de celdas conectadas en serie, mientras que la capacidad de corriente depende del área activa ocupada por el grupo de celdas. Su estructura tipo “sándwich” se forma con un ánodo (terminal negativo), un electrolito y el cátodo (terminal positivo). El electrolito conduce únicamente iones positivos debido a la reacción interna de la celda. Junto a los terminales de la FC se incorporan catalizadores elaborados con material de carbón poroso con el fin de acelerar la reacción química. A raíz del ensayo de electrólisis llevado a cabo por el químico William Grove en 1839[3], pudo comprobar que después de descomponer el agua (hidrógeno y el oxígeno) usando una solución electrolítica, se registraba un potencial eléctrico de baja magnitud producto de la reacción química. Veinte siete años después, en 1959, Francis Bacon junto a sus colegas mostraron el funcionamiento de una celda de combustible de 5kW. La FC son eficientes, producen poco impacto ambiental, disponen de una excelente relación corriente/cm2, operan a partir de combustible fósil, biomasa o de fuentes de energía renovables, su respuesta dinámica es prácticamente inmediata, su durabilidad y fiabilidad son ideales para ser aplicadas en vehículos espaciales, en los sistemas de transporte y trabajando como fuentes de alimentación en las redes de distribución. Estas ventajas fueron aprovechadas en la NASA, al colocarlas como generadores eléctricos en las naves espaciales de los proyectos Geminis y Apollo. En estas dos últimas décadas, la FC han tenido un auge importante en muchas aplicaciones [1]. De mayor presencia y utilización práctica destacan las FC de: Membrana con Intercambio de Protones (PEMFC), Ácido Fosfórico (PAFC), Hidróxido de Potasio (AFC), Carbonato Fundido (MCFC), Óxido X JORNADAS DE INVESTIGACION 2012. Unexpo Vice-Rectorado Puerto Ordaz. Fernández H. Simulación en PSCAD de una Celda de Combustible PEM. Sólido (SOF) y otras [1]. A partir de las ecuaciones del modelo desarrollado en trabajos previos [4]-[9], se ha logrado representar una PEMFC en la herramienta de simulación PSCAD, la cual funciona adecuadamente. A partir del modelo alcanzado, se podrán simular sistemas complejos que son tolerados por la herramienta, especialmente los vinculados en el entorno de las fuentes de energías renovables. Por otra parte, el trabajo de investigación es de beneficio académico para los docentes y estudiantes en las disciplinas de ingeniería Metalúrgica, Electricidad y Electrónica. II. DESARROLLO El voltaje generado en una FC de una única celda está determinado por: (1) Donde ENersnst, es el voltaje termodinámico, Vact, es la caída de potencial en los electrodos (ánodo y cátodo), Vohmic, potencial eléctrico provocado por las pérdidas óhmicas debido a la conducción de protones y por la resistencia interna, y Vcon, relacionado a la caída de voltaje por el transporte de masa del oxígeno y el hidrógeno en la membrana. Las ecuaciones correspondientes de los términos antes mencionados se listan a continuación: El voltaje termodinámico: (2) 17 Finalmente, el voltaje causado por el transporte de masa es: (5) El significado y los valores típicos de los parámetros usados en el modelo se listan en la Tabla I. TABLA I PARÁMETROS DE LA PEMFC Símbolo Descripción Valores de una celda Ballard Mark V 343,15 °K T Temperatura del módulo CH2 y CO2 Concentración de hidrógeno y oxígeno ingresado a la FC 104 mol/cm3 PH2 y PO2 Presión del hidrógeno y oxígeno de entrada 1.0 atm Coef. Paramétricos: ξ1 ξ2 -0,948 ξ3 ξ4 7,6 10-5 -1,93 10-4 λ Parámetro membrana 23.0 A Área efectiva de la FC 232,0 cm2 B Constante de operación 0,016V l Espesor membrana 0,0178cm I Corriente celda A Jmax Densidad máxima de corriente 1500 mA/cm2 J Densidad de corriente en operación I/A mA/cm2 El voltaje debido a las pérdidas de activación: (3) La caída de tensión por la resistencia interna o pérdidas óhmicas: (4) La resistencia interna equivalente está determinada por: Jornadas de Investigación 2012 El modelo de la PEMFC se puede representar por el circuito mostrado en la Fig.2. Se fundamenta en una fuente DC controlada externamente para simular el valor de la tensión ENernst de la expresión (2), afectada por la temperatura de trabajo, la presión del oxígeno y el hidrógeno suministrados, así como también, por los coeficientes insertados en la ecuación (2). Se disponen de tres resistencias conectadas en serie, para modelar las caídas de potencial en la celda. Los elementos resistivos están controlados en magnitud por los factores: Rohmic=Vohmic/I, Ract=Vact/I, y Rcon=Vcon/I. En vista a la respuesta dinámica observada experimentalmente X JORNADAS DE INVESTIGACION 2012. Unexpo Vice-Rectorado Puerto Ordaz. Fernández H. Simulación en PSCAD de una Celda de Combustible PEM. se considera la inserción de una capacitancia de gran magnitud en paralelo con Ract y Rcon [10]. Ec.5 Ec.3 Ec.4 I Corriente generada Rcon ENernst Ec.(2) Ract Rohmic VFC Cd Fig.2 Circuito equivalente de una PEMFC. La Fig.3 muestra la unidad de procesamiento para calcular el valor de la tensión ENernst. El esquema realiza en cada rama, los cálculos indispensables para obtener el valor de la tensión interno de la celda sugerido en la ecuación (2). El modelo admite el ajuste externo de la presión de cada reactivo, así como la temperatura de funcionamiento. Del mismo modo, se procesa el valor de la resistencia debido al transporte de masa como lo ilustra la Fig.4, siguiendo las pautas de la ecuación (5). El resto de las resistencias asociadas al modelo se efectúa aplicando el mismo procedimiento. TempK 1.0 PH ln X 1.0 PO2 ln X D + * 4.308e-5 * + F * 0.5 B + 1.229 D + * 1e-3 - Enerst F 298.15 F D 343.15 Temperatura + - * 0.8453e-3 TempK Fig.3 Unidad de cálculo del valor de la tensión termodinámica. 0.016 B Jact * N 1500.0 Jmax N/D D D - + 1.0 ln X * -1 N Econ N/D Rcon D IFCReal F Fig.4 Unidad de cálculo para el valor de la resistencia debido al transporte de masa. Jornadas de Investigación 2012 18 III. RESULTADOS A continuación se describen los ensayos de simulación. Para tal efecto, se pone en marcha el programa y haciendo uso del “Plot XY” se obtuvo la gráfica mostrada en la Fig.5. La abscisa representa la densidad de corriente J (A/cm2), mientras que la ordenada la tensión en los extremos de la PEMFC. El perfil de la curva se adapta a los resultados reportados en los artículos citados. La respuesta no lineal de la PEMFC obedece a los términos de las ecuaciones presentadas. IV. CONCLUSIONES El modelo equivalente de una PEMFC se representa fundamentalmente por un circuito serie formado por una fuente DC dependiente y tres resistencias controladas externamente. Se agrega un capacitor de magnitud considerable para confinar el modelo a la respuesta dinámica real de una PEMFC. La fuente DC modela la tensión termodinámica, mientras las resistencias controladas externamente modelan las pérdidas debidas a: la conducción, debida al proceso de activación y por el transporte de masa en la membrana. La característica tensión en función a la densidad de corriente en una PEMFC revela su gran capacidad para aportar corriente a valores muy bajos de tensión. En tal sentido, para la mayoría de sus aplicaciones requiere conectarse a etapas de conversión de energía para adaptarse a las exigencias de la carga. X JORNADAS DE INVESTIGACION 2012. Unexpo Vice-Rectorado Puerto Ordaz. Fernández H. Simulación en PSCAD de una Celda de Combustible PEM. 19 PEM Fuel Cell System”. Annual Conference of the IEEE Industrial Electronics, Coimbra, pp.1-8. Fig.5 Gráfica de la tensión generada en la PEMFC en función a la densidad de corriente. REFERENCIAS [1] U.S. Deparment of Energy Office of Fossil Energy. “Fuel Cell Handbook”. Morgantown, EG & G Technical Services, 2004, ch.1. [2] Rajeshwar K., McConnell R., and Licht S. “Solar Hydrogen Generation. Toward a Renewable Energy Future”. New York, Springer, 2008, ch1. [3] Kuan K. and Easler K. “Fuel Cell Electronics Packaging”. New York, Springer, 2007, ch.1. [4] Brooks N., Baldwin T., Brinson T., Ordoñez J and Luongo C. “Analysis of Fuel Cell Based Power Systems Using EMTDC Electrical Power Simulator”. Proceedings of thirty-sixth southeastern symposium on system theory, Florida, 2004, pp.270-274. [5] Costa R. and Camacho J. “The dynamic an steady state behavior of a PEM fuel cell as an electric energy source”. Journal of Power Sources, vol.161, 2006, pp.1176-1182. [6] Pukrushpan J., Stefanopoulou A., and Peng H. “Modeling and Control for PEM Fuel Cell Stack System”. Proceedings of American Control Conference, Anchorage, May, pp.3117-3122. [7] Correa J., Farret F. and Canha L. “An Analysis of the Dynamic Performance of Proton Exchange Membrane Fuel Cells Using an Electrochemical Model”. Annual Conference of the IEEE Industrial Electronics Society, Denver, 2001, Nov.-Dec., pp.141-146. [8] Mann R., Amphlett J., Hooper M., Jensen H., Peppley B. and Roberge P. “Development and Application of a Generalized Steady-State Electrochemical Model for a PEM Fuel Cell”. Journal of Power Sources, vol.86, 2000, pp.173-180. [9] Ali M. and Salman S. “Investigation into Modeling of a Fuel Cell Stack System”. Proceedings of the 41st International Universities Power Engineering Conference, NewCastle, 2006, September, pp.1-6. [10] Outeiro M., Chibante R. and Carvalho A. “A softswitching DC/DC converter to improve performance of a Jornadas de Investigación 2012