SISTEMA DE GENERACION DE POTENCIA ELECTRICA SECTOR DE LA TECNICA
La presente invention se refiere a un sistema de generation de potencia electrica regulada, modular y no contaminante, basado en la implementation modular de apilamientos de celdas de combustible tipo PEM alimentadas por hidrogeno, junto con sistemas de instrumentation, control y monitorizacion incluidos.
Es de aplicacion en el sector de la generacion de electricidad.
ESTADO DE LA TECNICA
El funcionamiento de las celdas de membrana de intercambio protonico (PEM) apiladas para generar energla electrica a partir de hidrogeno sufre de problemas que las deterioran, lo cual origina que su tiempo de vida sea relativamente corto (por termino medio entre 4.000 y 5.000 horas).
Las celdas PEM conocidas se refrigeran por agua y requieren un suministro de hidrogeno a presion muy alta (5-10 bares) , que solo en algunos disenos es capaz de reducirse a 2 bares. La refrigeration por agua requiere un mecanismo de gestion termica complejo, voluminoso, pesado y caro. El agua no es solo el producto de la reaction electroqulmica del apilamiento, sino tambien es crltica para garantizar un funcionamiento eficaz y estable. Por lo tanto, simplificando el sistema de gestion termica, se reducirlan los costes y la complejidad.
En cuanto a la alimentation de hidrogeno a altas presiones, implica un mayor coste de diseno as! como mayor riesgo de fuga y explosion.
Igualmente, los sistemas de generacion de energla electrica mediante apilamiento de celdas de combustible conocidos son elementos de gestion rlgida, en cuanto no permiten variar su capacidad de forma rapida, produciendose en ocasiones sobrecargas que danan las celdas.
No se conoce tampoco ningun sistema que permita gestionar las horas de funcionamiento de los diferentes apilamientos, distribuyendo la generacion de electricidad para reducir las probabilidades de deterioro o agotamiento del tiempo de vida operativo.
BREVE EXPLICACION DE LA INVENCION
La invention consiste en un sistema de generation de potencia electrica, que produce potencia electrica regulada directamente a partir de hidrogeno mediante una reaction electroqulmica, que es intrlnsecamente mas eficiente que la combustion y reduce al mlnimo los efectos adversos asociados al proceso de combustion (entre otros, ruido excesivo, emisiones contaminantes y mantenimiento). El sistema puede funcionar de forma continua (24h/dla durante 365 dlas al ano) , esto es, durante todo el tiempo que el hidrogeno le sea suministrado, por lo que al contrario de otras fuentes de energla renovable, la production de energla electrica del sistema objeto de la invencion es independiente de las condiciones climatologicas.
El sistema comprende una serie de modulos, de forma que puede funcionar con el numero de ellos que requiera en cada momento, lo cual le permite generar a su salida una potencia regulada en el rango desde 0 hasta "n*p", siendo "n" el numero de modulos y "p" la potencia de cada uno de ellos supuestos todos iguales. Si as! no fuera, se podrla tener desde 0 hasta (p1 + p2 +... + pn).
Con objeto de aumentar su tiempo de vida, el sistema objeto de la invencion monitoriza cada una de sus celdas (medidas de tension y corriente) para, mediante el sistema de control que lleva incorporado, gestionar y mitigar su envejecimiento.
El sistema desarrollado tiene ademas dos caracterlsticas adicionales que lo hacen especialmente simple: es refrigerado por aire y no requiere alta presion de suministro de hidrogeno, ya que de hecho puede funcionar a presion ambiente (similar a 1 bar). Para ello, los platos bipolares que delimitan cada celda del apilamiento se realizaran de forma adecuada, con canales mecanizados cuya configuration geometrica y diametro permitiran esta baja presion.
La primera de las caracterlsticas permite que no existan partes moviles ni llquidas en el sistema de refrigeration, facilitando y simplificando su integration. La segunda aporta seguridad al sistema al no ser necesario trabajar con altas presiones de hidrogeno. Ambas caracterlsticas aportan reduction de volumenes, pesos y costes y simplifican el diseno.
La invencion es, por lo tanto, un sistema de generation de potencia electrica con una serie de modulos, como mlnimo dos, pero preferentemente mas, cada uno con un apilamiento de
celdas de membrana de intercambio protonico (PEM) y otros subsistemas necesarios, individuales o compartidos por varios apilamientos. El conjunto de modulos es alimentado por una fuente de hidrogeno o varias, que forman parte de un subsistema de hidrogeno (preferentemente a presion casi ambiente (proxima a 1 bar) y con una llnea de purga).
El sistema de la invention comprende un subsistema de control y monitorizacion de cada modulo, que los controla, pudiendo activar y desactivarlos individualmente.
Como se ha resenado, cada modulo puede tener la misma potencia, con lo que se facilita la gestion, o potencias diferentes, lo cual aporta flexibilidad para activar los modulos en su potencia nominal cuando la carga electrica requiera niveles de potencia inferiores a la maxima.
El subsistema de control y monitorizacion puede monitorizar cada apilamiento de cada modulo mediante la reception, por cada apilamiento, de la senal de un amperlmetro y un voltlmetro, as! como un sistema de detection de tension de celda por cada celda del apilamiento. Esta recepcion se puede hacer en un primer nivel del subsistema de control y monitorizacion, por medio de controladores locales por cada modulo, los cuales son coordinados en un nivel superior por una unica unidad de control superior.
El sistema de deteccion de tension de celda se comunicara, a traves del subsistema de control y monitorizacion, con un sistema de gestion de celda, capaz de detectar su funcionamiento anomalo para actuar en consecuencia, por ejemplo comunicandolo a la unidad de control superior.
Preferentemente, el subsistema de control y monitorizacion es accesible en llnea, ya sea por una red local o por internet.
Mas preferentemente, cuando la exigencia de potencia sea inferior a la maxima, la unidad de control superior distribuira homogeneamente las horas de funcionamiento entre todos los modulos para que el envejecimiento de sus apilamientos sea similar.
Es preferido que los modulos posean sus respectivos subsistemas de oxigenacion/refrigeracion que aporten aire a las celdas, con la doble funcion de refrigerante y de aporte de oxlgeno al catodo.
El sistema se complements de un simulador del funcionamiento (no lineal) del sistema. Preferiblemente este sera capaz de simular fallos y averlas.
DESCRIPCION DE LOS DIBUJOS
Para una mejor comprension de la invention, se incluyen las siguientes figuras.
Figura 1: representa un esquema de un modulo, el cual comprende el apilamiento de celdas y los subsistemas de oxigenacion/refrigeracion, de hidrogeno y electrico.
Figura 2: representa el esquema general del subsistema de control y monitorizacion para cada modulo y del sistema completo.
Figura 3: representa un esquema de conexion para el caso en que se emplee un subsistema acondicionador con multiples entradas.
MODOS DE REALIZACION DE LA INVENCION
A continuation se pasa a describir de manera breve un modo de realization de la invencion, como ejemplo ilustrativo y no limitativo de esta.
El sistema de la invencion parte de una serie de modulos (1) que constan de apilamientos de celdas (2) de membrana de intercambio protonico (PEM) , preferiblemente refrigerados por aire para evitar la necesidad de humidificacion externa, ademas de los correspondientes subsistemas de oxigenacion/refrigeracion, de hidrogeno y electrico. En esencia, cada modulo (1) esta conformado por un esquema similar al de la Figura 1, aunque pueden compartir elementos, asl por ejemplo, la fuente de hidrogeno (8) puede ser compartida por todos o parte de los modulos (1).
La refrigeration por aire se realiza por medio de un subsistema de oxigenacion/refrigeracion, que por un lado aporta el oxlgeno del aire al catodo, y por otro se encarga de refrigerar el apilamiento de celdas.
La cantidad de aire inyectada al apilamiento de celdas debe ser tal que garantice que trabaja en su temperatura optima de funcionamiento. Para ello requiere un sensor de temperatura
de funcionamiento (3) de cada apilamiento de celdas (2) , un sensor de temperatura del aire (4) entrante, y un sistema de ventilacion (5) o extraction de aire con capacidad de ajustar el flujo de aire inyectado o extraldo de cada apilamiento de celdas, y modificar la relation entre el volumen de aire aspirado y el volumen teoricamente necesario para una correcta reaccion (parametro lambda A).
Preferentemente incorporara un sensor de oxlgeno (6) , que mandara information al sistema de control descrito mas abajo para evitar situaciones de baja concentration de oxlgeno en la atmosfera circundante, y por lo tanto insuficiencia de oxidante en el catodo de cada celda del apilamiento, y un sensor de humedad relativa (7) para evitar condiciones ambientales extremas.
La alimentation de hidrogeno al anodo de cada celda (2) del apilamiento se realiza por el subsistema de hidrogeno. Este comprende una fuente de hidrogeno (8) , y una llnea de conduction a cada apilamiento de celdas (2) , con sus valvulas (9) de suministro, manometros (10) y reguladores de presion (11) para su control. La fuente de hidrogeno (8) puede ser individual o compartida por todos o parte de los modulos (1). El regulador de presion (11) sera necesario cuando haya que regular la alta presion del hidrogeno almacenado en la botella a la baja presion de suministro, pero no es necesario si la fuente de hidrogeno (8) aporta ya el hidrogeno a la presion requerida.
El hidrogeno debe ser suministrado al anodo de cada modulo de apilamiento de celdas a la presion y flujo correspondiente. En la practica, no todo el hidrogeno que entra en cada anodo se consume. En los anodos se va acumulando vapor de agua, nitrogeno y otros gases inertes, por lo que es recomendable purgarlos periodicamente.
Por ello, normalmente se instalaran dos llneas de hidrogeno: una para la entrada de este en cada apilamiento y otra para la purga del mismo. En la llnea de salida o purga de cada apilamiento de celdas se necesita una valvula de purga (12) para expulsar el hidrogeno no usado junto con los gases inertes al medio circundante. Ademas, es deseable anadir un sensor de hidrogeno (13) para evitar concentraciones en el aire circundante que supongan riesgo por estar dentro de los llmites considerados en atmosfera explosiva (inferior a la cuarta parte del llmite de inflamabilidad inferior).
El aprovechamiento de la potencia electrica generada por cada apilamiento (2) se lleva a cabo mediante el subsistema electrico. Este subsistema conecta el apilamiento de celdas a
una carga electrica (14) , disponiendo un contactor (15) por apilamiento para aislarlo de la carga electrica (14) y un diodo (16) de bloqueo para evitar corrientes inversas que puedan danar el apilamiento.
Como medidas de protection del apilamiento de celdas (2) , este puede disponer tambien de un amperlmetro del apilamiento (17) y un voltlmetro del apilamiento (18) , que se conecta a los terminales electricos de cada apilamiento de celdas (2) , as! como un subsistema de monitorizacion de la tension de cada celda individualmente (no representado) conectado a todas las celdas del apilamiento.
El sistema de monitorizacion de celda vigila que ninguna celda entre en operation inversa, lo cual la danarla significativamente. Por su parte, el amperlmetro y el voltlmetro del apilamiento de celdas (17, 18) permiten al subsistema de control y monitorizacion tener information y actuar para que cada apilamiento, disenado para operar dentro de un rango de valores de corriente y tension, no se degrade si se sobrepasan estos rangos.
Ademas, la combination del voltlmetro del apilamiento (18) de celdas y el subsistema de deteccion de tension de celda garantizan que ninguna de las celdas que conforman cada apilamiento opere en situation inversa, con una tension igual o inferior a cero voltios.
Cada modulo (1) poseera una baterla (no representada) para la alimentation de los diferentes elementos del mismo en el arranque del modulo. Esta baterla podra ser recargada con parte de la potencia generada por el propio modulo.
La invention puede comprender igualmente un subsistema de control y monitorizacion, que garantiza el optimo funcionamiento del sistema. Para ello controlara los modulos (1) de los que se componga el sistema, con objeto de que estos esten activos en funcion de la demanda solicitada por la carga y de su estado de uso. Esto traera los beneficios siguientes:
Cada modulo solo estara activo cuando la carga lo demande, lo cual redundara en un menor numero de horas de funcionamiento y, por tanto, en una mayor duration global del sistema, prolongando su tiempo de vida, fundamentalmente de su apilamiento de celdas.
Cada modulo funcionara a potencia nominal, lo cual supondra un mejor rendimiento y aprovechamiento de cada tiempo de funcionamiento.
Los modulos podran funcionar un numero de horas similar, con lo cual el desgaste natural del sistema, fundamentalmente del apilamiento de celdas de cada modulo, sera equilibrado.
Los modulos pueden ser no solo puestos en marcha bajo demanda, sino tambien interconectados segun requerimientos.
En el caso de que algun modulo se deteriore, con mayor probabilidad su apilamiento de celdas, el sistema podra funcionar con el resto, siempre que la potencia maxima requerida no sobrepase la disponible.
Con este subsistema de control y monitorizacion, el sistema objeto de la invention suministra una potencia regulada en el rango desde 0 a hasta "n*p", siendo "n" el numero de modulos y "p" la potencia de cada uno de ellos, supuestos todos iguales. Si asl no fuera se podrla tener desde 0 hasta (p1 + p2 +... +pn).
El elemento de control se configura en dos niveles: un primer nivel constituido por los controladores locales (20) de cada modulo (1) , que controlan los subsistemas de oxigenacion/refrigeracion, de hidrogeno y electrico y su acondicionador de potencia, y una unidad de control superior (21) que supervisa y gobierna cada controlador local (20) de acuerdo a los requisitos generales del sistema.
La unidad de control superior (21) , en funcion de los requerimientos solicitados al sistema, conectara o desconectara cada modulo (1) de la llnea de suministro de hidrogeno y de la llnea de conexion electrica a la carga.
En lo referente a la monitorizacion, este subsistema de control y monitorizacion mide todas las variables de interes, las almacena para su consulta por el usuario y las suministra al control. Por otro lado, permite el acceso en llnea (refiriendonos a acceso en tiempo real a traves de la red-Internet (23) y/o red local-mediante una aplicacion informatica como un instrumento virtual) al sistema. Ademas, la monitorizacion del sistema se completa con la visualization de alarmas a traves de la aplicacion informatica (22) , la cual avisara al usuario de situaciones anomalas (exceso o defecto de presion o temperatura, demanda excesiva de corriente, tension de funcionamiento reducida, etc.).
La potencia electrica que se genera en cada modulo (1) puede no poseer la calidad necesaria para alimentar a la carga electrica (14) , por lo que se puede intercalar en paralelo, entre el apilamiento de celdas (2) y la carga (14) , un subsistema acondicionador de potencia electrica (24) que garantice que la salida electrica de cada modulo (o del sistema completo de la Figura 2, segun las conexiones posibles para los modulos que se describen mas adelante) sea una potencia electrica regulada apta para alimentar cualquier carga electrica. Esta regulation podra ser DC/DC o incluir una inversion DC/AC.
Este subsistema es de diseno especlfico para el sistema objeto de la invention, ya que ha de gobernar la salida electrica de cada modulo para poder suministrar en todo momento los requerimientos cambiantes de potencia electrica regulada demandados por la carga.
Para el subsistema acondicionador de potencia electrica (24) se pueden aplicar diferentes configuraciones basicas de conexion de pilas o modulos : en serie, en paralelo, en serie/paralelo y conectadas a un subsistema acondicionador con multiples entradas. Cada una con las ventajas conocidas por un experto en la materia. Para el sistema en serie, se obtiene mayor tension de salida y la misma corriente en todas las celdas. El sistema en paralelo permite que solo trabaje un modulo. El sistema serie/paralelo permite diferentes configuraciones de tension y corriente de salida, mientras que un subsistema con entradas diferentes (Figura 3) permite que trabajen uno o mas modulos, cada uno en un punto de operation diferente. En esta figura solo se han representado dos apilamientos, pero puede aplicarse a cualquier otro numero.
Para controlar los efectos de deterioro de los modulos (fundamentalmente sus apilamientos de celdas) , se complementara con un subsistema de gestion de celdas para la monitorizacion y control de los diferentes efectos que contribuyen al deterioro de los apilamientos y, por ende, de los modulos que los contienen. Este subsistema trabaja a partir de los datos suministrados por el subsistema de control y monitorizacion. A modo de ejemplo del interes de este subsistema, se puede mencionar que la corriente de corrosion en las celdas que forman cada apilamiento puede originar una reduccion de la tension de celda, llegando incluso a 0 V. Esto supone un grave problema para la celda afectada que puede llevarla a un deterioro irreversible. Sin embargo, la reduction de la tension de celda puede estar originada por un efecto no nocivo, como es la alta demanda de corriente en la carga. Esto tiene que ser capaz de detectarlo el subsistema de gestion de celdas.
Este subsistema de diseno especlfico es capaz de detectar si la reduction de la tension de celda es originada por un efecto nocivo que hay que evitar o por otro que desaparece en el tiempo sin causar danos.
Si el diseno y control de los diferentes subsistemas que complementan al apilamiento de celdas de cada modulo no se hace de forma correcta, o no se conocen con detalle los posibles efectos adversos, la tension de celda puede disminuir hasta en 0, 8 V. Sabiendo que la tension maxima de una celda (tension en circuito abierto) es de 1 V y la minima (tension a plena carga = maxima potencia) de 0, 5 V; el deterioro de varias celdas en un mismo apilamiento tiene efectos negativos significativos en su comportamiento electrico. Las dos principales causas de deterioro que contribuyen a la perdida de 0, 8 V/celda son la corrosion del carbon que se emplea para depositar el catalizador y la inanicion de combustible.
La primera se debe a que en una celda de combustible tipo PEM, en la estructura Electrolito- Membrana-Electrolito, el catalizador que favorece la disociacion del hidrogeno esta suspendido en una fina capa de carbono que cubre a la membrana por ambos lados. Cuando esta capa de carbono desaparece (como consecuencia de la reaction del mismo con agua para formar CO2, iones H+ y electrones) , la interfaz hidrogeno-oxlgeno (en lo sucesivo hidrogeno-aire ya que el oxlgeno con el que reacciona la celda de combustible procede directamente del aire circundante) que existe en la membrana, se convierte en oxlgeno-oxlgeno (en lo sucesivo aire-aire). En este caso se generan dos zonas de diferente tension y por tanto una corriente denominada corriente de corrosion. Esta corriente de corrosion aparece durante el arranque de la pila (degradation por arranque/parada) , y tambien aparece si hay perdidas de combustible, o si la valvula de suministro o la valvula de purga tienen fugas.
La corriente de corrosion tiene tambien el efecto de consumir el carbono de la capa catalizadora.
El subsistema de gestion de celdas debera detectar que se ha producido regiones aire-aire para permitir la actuation correctora. Para ello detecta que la tension producida por la celda es inferior a la teorica, por la presencia de las dos regiones aire-aire e hidrogeno-aire. Asl, en caso de existencia de corrientes de corrosion, la tension de celda sera de 0, 2V o similar en vez de aproximadamente 1V. En cambio, si hay fugas de combustible en la valvula, la celda producira tension con la valvula de hidrogeno cerrada, incluso tras consumirse completamente los remanentes de hidrogeno que puedan quedar en el circuito (aproximadamente 30 minutos).
En el caso de arranque de la celda tras estar un tiempo parada, hasta haberse consumido el remanente de hidrogeno, las corrientes de corrosion de arranque/parada seran inevitables, por lo que el sistema debera reconocer que este es el caso.
La inanicion o falta de combustible provoca un efecto similar a las corrientes de corrosion sobre una celda de combustible. Cuando no existe suficiente hidrogeno con el que reaccionar, este es sustituido por el carbono de la capa catalizadora, de forma que el carbono reacciona con el agua para generar protones y electrones, con el fin de abastecer la demanda de la carga. En esta situation, la tension de celda puede bajar por debajo de 0 V, llegando a una situacion inversa irreversible que supondra la inhabilitacion definitiva de la misma.
Para la implementation del subsistema de gestion de celdas, se ha desarrollado un equipo de medida formado por el sistema de detection de tension de celda, que no es objeto de la invention. El conexionado con cada modulo junto con el desarrollo del instrumento virtual para la monitorizacion no forman parte de la invencion.
Es especialmente interesante complementar la invencion con un equipo de simulacion implementado por medio de hardware y/o software, que puede funcionar tanto a nivel de modulo (1) como de sistema completo (correspondiente a la Figura 2) , y que permite replicar el funcionamiento real (no lineal) del sistema objeto de la invencion, y que ademas permita simular fallos y averlas. Esto proporciona al simulador unas posibilidades de gran valor: formativas, de seguridad, de ahorro de costes, etc.; dotando ademas al sistema objeto de la invencion de un gran valor anadido.
El procedimiento de operation se inicia con el inicio de la alimentation electrica: encendido y ajuste de la baterla, posteriormente el ajuste de hidrogeno, apertura de valvula (9) de suministro y su caudal. Finalmente el ajuste del subsistema de oxigenacion/refrigeracion, fijando el parametro lambda, A.
Durante el funcionamiento y generation de potencia electrica, los sensores realizan chequeos continuos, cuyo resultado podra llevar al subsistema de control y monitorizacion a la activation de las alarmas e incluso al apagado por fallo, con lo que se activarla un modulo (1) inactivo, en caso de existir alguno, para suministrar la potencia que falte.
El apagado de los modulos (1) se realiza con el cierre de las valvulas y correspondientes, de forma que la deteccion de una condicion anomala conllevarla la activacion de alarmas.
actuadores
igualmente
