Sistema modular de generación eléctrica basado en pilas de combustible.

Sistema modular de generación eléctrica basado en pilas de combustible. Desarrollo de la técnica Esta invención es del sector de la generación eléctrica mediante energías renovables. Estado de la técnica La generación de energía es uno de los factores fundamentales en el desarrollo de una sociedad. Actualmente la gran mayoría de los sistemas de generación son sistemas derivados de la utilización de combustibles de carácter agotable (carbón, petróleo, energía nuclear). El hecho de tener una dependencia excesiva de estos sistemas junto con los inconvenientes medioambientales que esto conlleva nos hace pensar en la búsqueda de sistemas de generación que eviten dichos problemas. Hoy en día los sistemas alternativos que ofrece el mercado son: 1. Energía hidráulica: Aprovechando la transformación de la energía potencial de un depósito de agua elevado en energía cinética. 2. Energía eólica: Aprovechamiento de la energía del viento mediante sistemas aerogeneradores de transformación de la energía cinética en energía mecánica. 3. Energía solar: Transformación de la energía térmica de la radiación solar. Hay dos tipos principalmente: Energía solar-térmica: mediante colectores térmicos que calientan el agua para su posible utilización en aplicaciones de agua caliente y calefacción. Energía fotovoltaica: con paneles fotovoltaicos que transforman la radiación solar en corriente eléctrica. 4. Biomasa: utilización de materiales orgánicos para conseguir electricidad mediante energía térmica. 5. Otras energías: entre las que se encuentran las energías de las olas, las geotérmicas y las mareomotrices. Que son de menor aplicación. A pesar de sus evidentes ventajas las energías renovables antes mencionadas no son perfectas y tienen ciertos inconvenientes que es necesario solucionar. Es por ello que nos centraremos en la tecnología del hidrógeno, ya que éste puede hacer de nexo de enlace entre las renovables y los consumidores de energía. El hidrógeno puede usarse como combustible en motores de combustión interna o puede servir de alimentación de las pilas de combustible conjuntamente con oxígeno para producir electricidad y agua como productos gracias a la electrólisis inversa. En el caso de utilizarse las pilas de combustible se puede producir energía como resultado de la transformación de un material almacenado sin tener emisiones contaminantes. Si el hidrógeno que utilizamos es a su vez el resultado se aprovechar las energías renovables (solar y eólica) en momentos puntuales de excesos de energía en electrolizadores, somos capaces de almacenar energía de carácter variable y la podremos utilizar en el momento deseado, algo que era imposible de no usarse esta tecnología. Descripción Para la realización de esta invención se han seguido los siguientes pasos: 1. Revisión bibliográfica. 2. Modelización, simulación del sistema y resultados de la simulación. Para la simulación de los distintos elementos del sistema (pila de combustible, bomba de calor, electrónica de potencia, ...) se utilizó el paquete Simulink ® , incluido en el software Matlab ® . 2 ES 2 352 709 A1 3. Operación individual de los elementos de la instalación. En esta etapa se analizaron los parámetros de funcionamiento de cada elemento y su integración en el sistema. Las pilas de combustible se sometieron a distintas cargas con diferentes sistemas de alimentación. 4. Operación del sistema. En la etapa final se procedió a instalar y operar el sistema completo, realizando diferentes pruebas para analizar el funcionamiento. 5. Conclusiones y posibles mejoras de la invención. Simulación del sistema Modelo de la pila de combustible El modelo teórico de la pila se basa en relaciones electroquímicas, termodinámicas y de mecánica de fluidos. Utiliza ecuaciones básicas como son la de Nerst-Planck para transporte de especies, Stefan-Maxwell para transporte en fase gaseosa y Butler-Vollmer para el voltaje de la pila. Dependiendo del enfoque, a partir del modelo se pueden obtener datos de flujos, distribución de densidades de corriente, voltajes, caídas de presión y otra serie de variables. La herramienta utilizada en este modelo es Simulink ® . Consiste en un paquete de software añadido a Matlab ® , una herramienta matemática que se utiliza para modelar, simular y analizar sistemas dinámicos, gobernados por ecuaciones diferenciales. Soporta sistemas lineales y no lineales, modelados en tiempo continuo o en intervalos. Cuando el modelo está definido, se puede simular empleando diversos métodos de integración. Mediante los bloques de salida se pueden observar los resultados en el transcurso de la simulación. Además se pueden variar diversos parámetros y observar la respuesta del sistema. Los resultados de la simulación pueden ser llevados al espacio de trabajo de Matlab ® para ser procesados. Las herramientas de análisis del modelo incluyen sistemas de linearización y rectificación, a los que se puede acceder desde la línea de comando de Matlab ® . Como Matlab ® y Simulink ® están integrados, los modelos se pueden analizar, simular y revisar con ambos entornos en cualquier punto. A continuación se describe el modelo realizado para la pila de combustible de membrana de intercambio protónico, modelo Nexa TM , del fabricante canadiense Ballard. En la figura 1 se muestra el esquema general del modelo. 3 ES 2 352 709 A1 Ecuaciones del modelo con diagramas de bloques Simulink ® para un sistema PEMFC El sistema general considerado está formado por el compresor del aire de entrada, los sistemas de acondicionamiento de los gases de entrada, un stack de membranas de intercambio protónico y los colectores de entrada y de salida. La simulación se aborda tomando cada bloque por separado, pero con entradas y salidas interconectadas en cada uno de ellos. Se asumen las mismas condiciones de temperatura en todas las partes de la pila, ya que el tiempo de arranque de las PEMFC es pequeño, operando a temperaturas máximas de alrededor de 80ºC y, además, los periodos de duración de la simulación utilizados son breves. PEMFC En este apartado se incluyen los bloques de los modelos de los electrodos y de la membrana. Además se lleva a cabo el modelado del voltaje de la pila. Ánodo En este modelo se supone que la alimentación del ánodo es hidrógeno puro, suministrado desde un depósito en el que se controla la presión de salida. La entrada al ánodo se asume con una humedad del 100%. La salida de hidrógeno del ánodo se asume igual a cero, ya que se considera su recirculación. La temperatura del hidrógeno en el ánodo es igual a la temperatura global de la pila. Propiedades entrada ánodo y propiedades salida ánodo A partir de una corriente entrante o saliente se determinan cuáles son las fracciones que corresponden al hidrógeno y al agua. Los términos conocidos de las corrientes son: flujo másico W, temperatura T, presión P y humedad relativa . En primer lugar se calculan las diferentes presiones parciales utilizando el concepto de humedad relativa: La presión de saturación a una temperatura dada se obtiene de la siguiente fórmula empírica: Con estas presiones se puede calcular la humedad , definida como la relación entre la masa de vapor y la de hidrógeno. o de otra forma, El cálculo de los flujos de hidrógeno y agua en el ánodo es el siguiente: 4 Balance de H2 en el ánodo ES 2 352 709 A1 La masa de hidrógeno que hay en todo momento en el ánodo depende del flujo entrante de hidrógeno, del flujo de salida de hidrógeno (se supone nulo) y de la cantidad de hidrógeno que reacciona. Siendo el valor del flujo de hidrógeno reaccionado: A partir de la masa se determina la presión parcial del hidrógeno en el ánodo, utilizando la ecuación de los gases ideales: Balance de H2O en el ánodo La masa de agua en el ánodo depende, en todo momento, del flujo de agua que entra, del que sale y del agua de la membrana: Con el valor de la masa se puede obtener la presión parcial del vapor de agua en el ánodo: Este último parámetro permite calcular la humedad relativa en el ánodo: La presión de saturación se obtiene a partir de la temperatura con la siguiente fórmula empírica: Membrana El modelo de la membrana de intercambio protónico simula el transporte de agua. El flujo másico y el contenido en agua se suponen uniformemente repartidos en toda su superficie. El transporte de agua a través de la membrana se consigue a través de dos fenómenos: - Arrastre electro-osmótico: la cantidad de agua transportada es proporcional al coeficiente nd (número de moléculas de agua transportadas por cada protón). - Gradiente de concentración de agua a través de la membrana: se asume un cambio lineal de dicha concentración a través del espesor, e, de la membrana. El coeficiente de difusión es DH2O. ES 2 352 709 A1 Los coeficientes nd y DH2O varían con el... [Seguir leyendo]

1. Sistema modular de generación eléctrica basado en pilas de combustible, que produce energía eléctrica conectando módulos básicos entre sí según demanda, caracterizado por los siguientes componentes: pilas de combustible, regulador de tensión, baterías, sistema de control e inversor. 2. Sistema modular de generación eléctrica basado en pilas de combustible, según la reivindicación 1, que se complementa con una serie de subsistemas complementarios destinados a la producción o el almacenamiento de hidrógeno: el subsistema de alimentación mediante hidruros metálicos, depósitos de hidrógeno y nanotubos de carbono u otros sistemas de almacenamiento equivalentes, un subsistema de reformado de gas natural para la conversión previa de un combustible en hidrógeno, un subsistema electrolítico para el aprovechamiento de energías renovables (eólica, solar fotovoltaica...) para la generación de hidrógeno mediante un electrolizador. 19 ES 2 352 709 A1 ES 2 352 709 A1 21 ES 2 352 709 A1 22 ES 2 352 709 A1 23 ES 2 352 709 A1 24 ES 2 352 709 A1 ES 2 352 709 A1 26 ES 2 352 709 A1 27 ES 2 352 709 A1 28 ES 2 352 709 A1 29 ES 2 352 709 A1 OFICINA ESPAÑOLA DE PATENTES Y MARCAS ESPAÑA