ENTRENADOR DE SISTEMASPARA CELDAS DE COMBUSTIBLE

DL HYDROGEN-B

Manual Teórico

DL HYDROGEN-B

5

Contenido INTRODUCCIÓN Pag. 7 GENERALIDADES DE LAS PROPIEDADES DEL HIDRÓGENO Pag. 9

Estructura Atómica Pag. 9

Propiedades Físicas Pag. 12

Propiedades Químicas Pag. 18

Electrólisis: Obteniendo hidrógeno del agua Pag. 30

APLICACIONES Y TECNOLOGÍA DE CELDAS DE COMBUSTIBLE Pag. 33

Introducción Pag. 33

El Principio Pag. 34

Historia de la Tecnología Pag. 36

Sistemas de Celdas de Combustible Pag. 37

Tipos de Celdas de Combustible Pag. 39

Partes de una Celda de Combustible Pag. 47

Fundamentos de celdas de Combustible: Eficiencia, Ventajas, Desventajas y Aplicaciones típicas Pag. 51

Almacenamiento de Hidrógeno Pag. 54

CONCLUSIÓN Pag. 59 APÉNDICE A – LEYES DE LOS GASES Pag. 61 APÉNDICE B – INGENIERÍA CLAVE Y SUS MEDIDAS Pag. 65 APÉNDICE C – GLOSARIO DE TÉRMINOS DE CELDAS ENERGÉTICAS Pag. 75

DL HYDROGEN-B

7

INTRODUCCIÓN El hidrógeno es el elemento más simple. Un átomo de hidrógeno consiste de solamente un protón y un electrón. Es también el elemento más abundante del universo. A pesar de su simplicidad y abundancia, el hidrógeno no se presenta de manera natural en la Tierra – siempre está combinado con otros elementos. Por ejemplo agua, que es una combinación de hidrógeno y oxígeno (H2O). El hidrógeno se encuentra también en muchos compuestos orgánicos, notablemente en los Hidrocarburos que constituyen muchos de nuestros combustibles, como la gasolina, el gas natural, el metanol, y el propano. El hidrógeno puede ser separado de los hidrocarburos a través de la aplicación de calor – un proceso conocido como reformado. En la actualidad, mucho del hidrógeno es obtenido de esta manera, a partir de gas natural. Una corriente eléctrica también puede ser aplicada en el agua para separarla en sus componentes de hidrógeno y oxígeno. Este proceso es conocido como electrólisis. Algunos proponen bacterias, utilizando luz solar como su fuente de energía, para la emisión de hidrógeno, en ciertas condiciones. El hidrógeno tiene un alto contenido de energía, ya que un motor que quema hidrógeno puro, casi no produce contaminación. La NASA ha utilizado hidrógeno líquido desde los 70´s para impulsar y poner en órbita el transbordador espacial y otros cohetes. Celdas de combustible de hidrógeno energizan los sistemas eléctricos del transbordador, produciendo un subproducto de agua pura, que bebe la tripulación. Una celda de combustible combina hidrógeno y oxígeno para producir electricidad, calor, y agua. Las celdas de combustible son comúnmente comparadas con las baterías. Ambas convierten la energía producida por una reacción química en energía eléctrica utilizable. Sin embargo, la celda de combustible producirá electricidad, mientras sea suministrado el combustible (hidrógeno), sin perder su carga. Las celdas de combustible son una tecnología prometedora para usarse como fuentes de energía de calor y electricidad para edificios, y como fuentes de energía eléctrica para impulsar vehículos con motores eléctricos. Las celdas de combustible operan mejor con hidrógeno puro. Pero combustibles como el gas natural, el metanol, o aún gasolina pueden ser reformados para producir el hidrógeno requerido por celdas de combustible.

DL HYDROGEN-B

8

Algunas celdas de combustible pueden ser abastecidas directamente con metanos, sin la utilización de un reformador. En el futuro, el hidrógeno podría emparejar a la electricidad como un importante proveedor de energía. Un proveedor de energía mueve y entrega energía en una forma útil para los consumidores. Las fuentes de energía renovables, como el sol y el viento no pueden producir energía en todo momento. Pero por ejemplo, si podrían producir energía eléctrica e hidrógeno, que podría ser almacenado hasta que sea requerido. El hidrógeno puede ser transportado (como la electricidad) a localidades donde sea requerido.

DL HYDROGEN-B

9

GENERALIDADES DE LAS PROPIEDADES DEL HIDRÓGENO

Estructura Atómica El hidrógeno es con mucho el elemento más abundante en el universo, constituyendo el 75 % de la masa de toda la materia visible en estrellas y galaxias. El hidrógeno es el más simple de todos los elementos. Uno puede visualizar un átomo de hidrógeno como un núcleo central denso con un solo electrón orbital, así como un solo planeta en órbita alrededor del sol. Los científicos prefieren describir el electrón como ocupando “una nube probable” que rodea al núcleo como una concha difusa esférica.

Fig. 1 – Estructura atómica de una molécula de hidrógeno

En la mayoría de los átomos de hidrógeno, el núcleo consiste en un solo protón, aunque también hay una forma rara ("o isótopo") del hidrógeno que contiene ambos, un protón y un neutrón. Esta forma de hidrógeno es llamada deuterio o hidrógeno pesado. Otros isótopos de hidrógeno también existen, como el tritio con dos neutrones y un protón, pero estos isótopos son inestables y decaen radiactivamente. La mayor parte de la masa de un átomo de hidrógeno es concentrada en su núcleo. De hecho, el protón tiene más de 1800 veces más masa que el electrón. Los neutrones tienen casi la misma masa que los protones. Sin embargo, el radio de la órbita del electrón, que define el tamaño del átomo, ¡es aproximadamente 100,000 veces tan grande como el radio del núcleo! Claramente, los átomos de hidrógeno consisten en gran parte de espacio vacío.

DL HYDROGEN-B

10

Los átomos de todos los elementos consisten en gran parte de espacio vacío, aunque todos los otros sean más pesados y tengan más electrones. Un protón tiene una carga eléctrica positiva, y un electrón tiene una carga eléctrica negativa. Los neutrones no tienen carga. Juntas, las cargas asociadas con el protón y el electrón de cada átomo de hidrógeno anulan el uno al otro, de modo que los átomos de hidrógeno individuales son eléctricamente neutros. Químicamente, el arreglo atómico de un solo electrón orbitando un núcleo es altamente reactivo. Por esta razón, de manera natural los átomos de hidrógeno se combinan en pares moleculares (H2 en vez de H). Para complicar mas las cosas, cada protón en un par de hidrógeno tiene un campo asociado que puede ser visualizado y descrito matemáticamente como "un giro". Las moléculas en las cuales ambos protones tienen el mismo giro son conocidas como “ortohidrógenos”. Las moléculas en las cuales los protones tienen giros opuestos son conocidas como "parahidrógenos". Más del 75 % del hidrógeno normal a temperatura ambiente es ortohidrógeno. Esta diferencia se hace importante a temperaturas muy bajas ya que el ortohidrógeno se hace inestable y se cambia al arreglo parahidrógeno más estable, liberando calor en el proceso. Este calor puede complicar procesos de hidrógeno de temperaturas bajas, en particular la licuefacción. Composición de Otros Combustibles Es natural para nosotros comparar el hidrógeno a otros combustibles de hidrocarburo con los cuales somos más familiares. Todos los combustibles de hidrocarburo son combinaciones moleculares de átomos de carbono y de hidrógeno. Hay miles de tipos de compuestos de hidrocarburos, cada uno con una combinación específica de átomos de carbono e hidrógeno en una geometría única. El más simple de todos los hidrocarburos es el metano, que es el componente principal del gas natural. (Otros componentes del gas natural incluyen etano, propano, butano y pentano, así como impurezas). El metano tiene la fórmula química CH4, que significa que cada molécula tiene cuatro átomos de hidrógeno y un átomo de carbono. Otros hidrocarburos comunes son el etano (C2H6), propano (C3H8) y butano (C4H10). Éstos son todos hidrocarburos considerados ligeros, ya que ellos contienen menos de cinco átomos de carbono por molécula y por lo tanto tienen un peso molecular bajo (un átomo de carbono es casi 12 veces tan pesado como un átomo de hidrógeno). La gasolina esta compuesta de una mezcla de muchos hidrocarburos diferentes, pero un componente importante es el heptano (C7H16). La gasolina, el diesel, el keroseno, y los compuestos encontrados en asfalto, petróleos pesados y ceras, son considerados hidrocarburos pesados, ya que contienen muchos átomos de carbono por molécula, y por lo tanto tienen un peso molecular alto. Los hidrocarburos más ligeros son gases con presión atmosférica y temperatura normales. Los hidrocarburos más pesados, con 5 a 18 átomos de carbono por compuesto, son líquidos en condiciones ambientales y tienen una viscosidad creciente con el peso molecular.

DL HYDROGEN-B

11

Otros combustibles químicos incluyen alcoholes cuyas moléculas combinan un par de átomos de oxígeno/hidrógeno (OH) con uno o varios grupos de hidrocarburos. Los combustibles de alcohol comunes son el metanol (CH3OH) y el etanol (C2H5OH). Éstos pueden ser mezclados con hidrocarburos para el uso en motores de combustión interna.

Fig. 2 – Estructura química de combustibles comunes

ENTRENADOR DE SISTEMASPARA CELDAS DE COMBUSTIBLE

DL HYDROGEN-B

Manual Práctico

DL HYDROGEN-B

5

Contenido

Manual de Operación Pag. 7

1. Su deber de Supervisión Pag. 7 2. Intención de Uso Pag. 7 3. Precauciones Generales de Seguridad Pag. 7

Diseño y Especificaciones del Entrenador en Sistemas de Celdas de Combustible Pag. 9

1. Introducción Pag. 9 2. Diseño del entrenador Pag. 10 3. Especificaciones Pag. 11

Experimentos Pag. 29

1. Familiarícese con el entrenador Pag. 29 2. Rendimiento de la Celda de Combustible PEM con cargas

fijas, sin Convertidor DC/DC Pag. 34 3. Rendimiento de la Celda de Combustible PEM con cargas

fijas, con Convertidor DC/DC Pag. 38 4. Registro de la curva característica Corriente/Voltaje de la

Celda de Combustible PEM con carga variable Pag. 42 5. Cálculo de la Eficiencia Energética de la Celda de

Combustible PEM Pag. 45

Apéndices A Pag. 47

Apéndices B Pag. 53

Apéndices C Pag. 57

DL HYDROGEN-B

9

DISEÑO Y ESPECIFICACIONES DEL ENTRENADOR EN SISTEMAS DE CELDAS DE COMBUSTIBLE 1. Introducción

La disminución de recursos, impactos ambientales más severos y la creciente demanda de

energía nos fuerza a reevaluar la estructura de nuestro sistema de suministro de energía.

Compañías automotrices y petroleras invierten cada vez más en tecnología de hidrógeno porque

ofrece soluciones a algunas de estas preocupaciones. Esta fascinante tecnología combina una

fuente de energía eléctrica con un mínimo impacto en nuestros recursos naturales.

Es importante aprender de esta tecnología, especialmente para los jóvenes, que son los más

probables que pasen una gran parte de sus vidas con ella.

En todos los pasos de procesos de energía, los dispositivos aprovechan las soluciones mas

amigables al medio ambiente, comenzando con el almacenamiento de hidrógeno y terminando

con la celda de combustible para producción independiente de corriente.

Debido a que los dispositivos representan el modelo de un sistema completo de suministro de

energía, cada rango de la tecnología de hidrógeno puede ser descrito de una manera fácil de

entender.

Este manual ofrece la posibilidad de mostrar el modo de operación de la tecnología de

hidrógeno paso a paso y de una manera interesante a través de experimentos.

A continuación todos los pasos para la configuración y operación en los diferentes modos son

descritos a detalle.

De Lorenzo S.p.A. le desea muchas horas agradables de aprendizaje acerca de esta

tecnología con el Conjunto de Experimentos DL Hydrogen-B.

DL HYDROGEN-B

10

2. Diseño del entrenador

El entrenador DL HYDROGEN–B, para el estudio de la tecnología de celdas de combustible,

esta compuesto de:

Un módulo recipiente de almacenamiento de 225 l (DL 9040);

Un módulo de celda de combustible PEM de 100W con rendimiento: 14V a 7.2A; consumo

de H2: 1.4l/min e incluye el controlador electrónico; en este módulo se incluyen sensores

(presión, flujo y temperatura) para medición y adquisición de datos (DL 9041);

Un módulo de instrumentos de medición, que contiene 2 voltímetros (f.s.: 40V), 1

amperímetro (f.s.: 10A), y 3 pantallas para presión, flujo y temperatura (DL 9042);

Un módulo de conversión DC/DC con salida de 12V, 8A (DL 9043);

Un módulo de carga con una lámpara de halógeno (12V, 20W) y una lámpara de LED (12V,

3x1W) (DL 9044);

Un módulo de reóstato logarítmico variable (1.5Ω ÷ 17Ω, 100W, Imax:8A) (DL 9045);

Un módulo de batería.

DL HYDROGEN-B

15

DL 9041: Módulo de Celda de combustible PEM y sensores

Este módulo es considerado el principal del entrenador y reúnen los elementos esenciales tales

como la celda de combustible PEM, su controlador y los sensores necesarios para el estudio.

Para facilitar la descripción del módulo hemos añadido una letra junta a cada componente.

A: instrumento usado para medir la presión del hidrógeno proveniente del módulo de

almacenamiento; es un manómetro de Bourdon y usa el principio de que un tubo aplanado

tiende a cambiar a una mayor sección circular transversal con la presión. El hidrógeno

llega al instrumento ya reducido alrededor de 0.5bar a través del conjunto, alimentado y

conectado a su entrada (H2 IN), que es posible llevar presión a esos valores.

C: este sensor de presión industrial ha sido diseñado para su uso en medios de presión

agresivos encontrados en muchos procesos y aplicaciones industriales; el diafragma de

aislamiento de acero inoxidable y el módulo de presión de acero inoxidable totalmente

soldado aseguran un excelente medio de compatibilidad sin comprometer el rendimiento.

La electrónica integrada proporciona una salida a dos cables de 4 a 20mA proporcional a la

presión aplicada (0 – 1bar). Las terminales de este sensor de presión están disponibles del

lado derecho identificadas por Pressure Sensor OUT.

El rango de presión nominal se puede exceder por 4xFS sin degradar el rendimiento y la

contención es 6xFS.

El voltaje de alimentación es 9 a 28 Vdc y su temperatura de operación es -4°F a 176°F (-

20°C a 80°C).

DL HYDROGEN-B

16

D: este sensor de flujo es un elemento de medición de alta precisión y respuesta rápida.

Las especificaciones principales son las siguientes:

Rango de Flujo 0 a 3 L/min

Alimentación 10.8 a 26.4 Vdc

Salida Analógica Aire: 1 a 5V

Hidrógeno: V = [(1.44 – 1)/1.4] x (L/min) +1

Precisión ±5%

Rango de

Temperatura

0 a 50°C

Las terminales de este sensor están disponibles del lado derecho identificadas por Flow Sensor

OUT.

F: este dispositivo es un sensor de temperatura de precisión en grados centígrados (LM35); es

externo y fijado directamente en contacto con la celda de combustible PEM para

monitorear su temperatura.

El voltaje de salida es linealmente proporcional a la temperatura Celsius (Centígrados).

Este sensor por lo tanto tiene una ventaja sobre los sensores de temperatura lineales

calibrados en °Kelvin, ya que el usuario no requiere restar un gran valor constante de

voltaje de su salida para obtener una escala conveniente en grados centígrados.

El LM35 no requiere ninguna calibración externa o ajuste para proveer precisiones típicas

de ±¼°C a temperatura ambiente y ±¾°C sobre el rango de temperatura de −55°C a

+150°C.

Las características principales son las siguientes:

Calibrado directamente en °Celsius (Centígrados)

Factor de escala lineal +10mV/°C

Precisión de 0.5°C (a +25°C)

Rango completo nominal de −55°C a +150°C

Funciona de 4 a 30 volts

Corriente de fuga menor a 60 μA

Bajo nivel de auto calentamiento, 0.08°C en aire inmóvil

No linealidad típica sólo de ±¼°C

Baja impedancia de salida, 0.1 Ω para 1 mA de carga

Las terminales de este sensor de temperatura están disponibles del lado derecho identificadas

por Temp. Sensor OUT.

DL HYDROGEN-B

17

B, E, G y controlador de la Celda de Combustible: B identifica la Válvula de Suministro de H2, E la Celda de Combustible PEM y G la Válvula de

Purga; el controlador de la celda de combustible está colocado dentro del módulo y actúa como

controlador y árbitro de los componentes mencionados anteriormente.

Ellos están enlazados entre sí de acuerdo al siguiente esquema:

El interruptor SCU se utiliza para eliminar el efecto de “corto circuito” del acondicionamiento

de la pila (posición apagado) y el sensor T dentro del controlador de la celda de combustible.

La Batería DC externa (suministrada con el entrenador) se debe conectar a las terminales “DC

Battery IN” (+ y -), disponibles del lado derecho, de acuerdo a su polaridad. El voltaje de

batería es indispensable para todos los componentes que requieren alimentación (sensores y

controlador de la celda de combustible) y se puede interrumpir actuando sobre el interruptor

“encendido/apagado” de la Batería.

Las terminales FC (FC+ y FC-) y las terminales LOAD (LOAD+ y LOAD-) también están

disponibles en el módulo e identificados respectivamente por Fuel Cell OUT (+ y -) y Load (+

y -); las terminales “Fuel Cell OUT” se toman directamente de las disponibles en la celda de

combustible pero las terminales “Load” se toman del controlador de la celda de combustible

(vea el esquema anterior para mayor detalles).

Nota: El SCU debes estar APAGADO “OFF” (0) en el caso de estar aplicada una carga o

dispositivos de conversión como DC-DC o DC-AC, y debe estar ENCENDIDO “ON” (I) si la

carga no está aplicada para evitar dañar el sistema y dispositivos conectados.

DL HYDROGEN-B

18

A continuación se muestran las especificaciones técnicas de la celda de combustible PEM:

Celda de combustible PEM con refrigeración por aire y control electrónico incluyendo

una batería de 24 elementos

Potencia nominal: 100W

Potencia pico: 102W

Rendimiento: 14V a 7.2A

Reactivos: Hidrógeno y aire

Temperatura externa: desde 5 hasta 40°C

Temperatura máxima de cierre de la celda: 65°C

Corriente máxima de cierre de la celda: 12A

Presión máxima de hidrógeno antes del regulador de presión: 8 – 10bar

Presión máxima de hidrógeno en la pila de combustible (después del regulador de

presión): 0.4 – 0.5bar

Pureza mínima del H2 suministrado: grado 4.5 (99.995%) seco

Humidificación: auto-humidificado

Enfriamiento: aire (ventilador integrado)

Tipo de celda de combustible: PEM

Consumo a potencia máxima: 1.4L/min

Tiempo de encendido: 2 – 3s

Eficiencia de la Celda de Combustible: 40% a 12V; esto significa que el 40% de la

energía almacenada en el hidrógeno que se opera en la celda de combustible es producida

como energía eléctrica.

DL HYDROGEN-B

19

Por último, se muestra a continuación el diagrama simplificado para la medición de la celda de

combustible de hidrógeno:

DL HYDROGEN-B

42

4. Registro de la curva característica Corriente/Voltaje de la Celda de Combustible PEM con carga variable

Realice las conexiones entre los diferentes módulos como se muestra a continuación (asegúrese

de que todos los interruptores estén en la posición apagado (0)):

Nota: para la inserción del amperímetro refiérase al apartado dedicado al módulo DL 9042 en

el capítulo Especificaciones.

DL HYDROGEN-B

43

A continuación siga estos pasos:

Coloque el interruptor SCU en la posición de apagado (0) del DL 9041;

Gire completamente en sentido horario la carga variable DL 9045 para tener la carga

mínima (resistencia máxima) al comienzo;

Encienda los módulos DL 9041 y DL 9042 colocando los interruptores respectivos en la

posición de encendido (I) cerca de las terminales DC Battery IN;

Abra el flujo de hidrógeno girando en sentido antihorario la válvula de paso del cilindro

de almacenamiento de hidrógeno y verifique la presión a la entrada del módulo DL 9041

en el manómetro de Bourdon (alrededor de 0.5bar);

Presione, por algunos segundos, el botón verde de encendido/apagado DL 9041 y suéltelo

tan pronto como el sistema (en este caso la Válvula de Alimentación) permita al

hidrógeno atravesar y llegar a la celda de combustible;

Observe, después de algunos segundos, la visualización de los instrumentos con la carga

mínima.

Registre los valores de corriente, voltaje de salida de la celda de combustible (voltímetro

A), potencia y voltaje de salida del Convertidor DC/DC (voltímetro B) en la tabla

siguiente (en la primera línea);

Corriente

[A]

Voltaje de Salida

de la Celda de

Combustible [V]

(Voltímetro A)

Potencia P

[W]

Voltaje de

Salida del

Convertidor

DC/DC [V]

(Voltímetro B)

Carga Mínima

(Rmax)

[Ω]

Carga

Máxima (Rmin)

[Ω]

Gire lentamente en sentido antihorario la carga variable y continúe con la serie de

mediciones (alrededor de 8/10) de mayor a menor resistencia y regístrelas en la tabla

anterior;

DL HYDROGEN-B

44

Notas:

Asegúrese de que haya suficiente presión de hidrógeno disponible para la celda de

combustible PEM (alrededor de 0.5bar);

En el caso de resistencias muy pequeñas, los valores de intensidad de corriente y voltaje

pueden no ser estables si no se suministra suficiente hidrógeno.

Al final de las mediciones, gire de nuevo completamente en sentido horario la carga variable y

para detener el experimento, siga estos pasos:

Presione el botón verde de encendido/apagado (en el DL 9041) por 2 segundas y la celda

de combustible PEM se apagará;

Gire completamente en sentido horario la válvula de paso del módulo de almacenamiento

(DL 9040) para detener el flujo (esto también se puede comprobar verificando el

manómetro de Bourdon en el DL 9041, el medidor del instrumento disminuirá lentamente

al mínimo);

Apague (0) finalmente los interruptores de la batería en el DL 9041 y DL 9042 y deje el

interruptor SCU del DL 9041 en la posición (0);

Deje las conexiones intactas para otros experimentos posteriores o en caso contrario

desconecte todos los cables.

Nota: también se recomienda desconectar el conjunto de alimentación (con reductor de

presión) del módulo de almacenamiento de hidrógeno para evitar pérdidas de

hidrógeno aunque la válvula de paso esté cerrada.

DL HYDROGEN-B

45

5. Cálculo de la Eficiencia Energética de la Celda de Combustible PEM

Este experimento calcula la eficiencia energética de la celda de combustible PEM la cual

muestra que tanta de la energía suministrada Eentrada sale del sistema, en este caso la celada de

combustible como energía utilizable Eutilizable. Entre mayor sea la eficiencia, mejor es el uso de

energía.

La eficiencia energética puede ser calculada usando la siguiente fórmula (vea el Apéndice B):

entrada

utilizable

lHhidrógeno

eléctricaenergética E

E

HV

tIU

E

E

2

donde:

Hl = Poder calorífico del hidrógeno (también llamado poder calorífico inferior) = 10.8x106

J/m3

VH2 = cantidad de hidrógeno producido en m3

U = valor medio del voltaje en V

I = valor medio de la corriente en A

t = tiempo en segundos

De las especificaciones de la celda de combustible PEM (ver DL 9041), donde se incluyen

también los parámetros esenciales de la fórmula anterior, podemos reescribirla a continuación

para calcular y verificar la eficiencia energética:

Rendimiento: 14V a 7.2A

Consumo a potencia máxima: 1.4L/min = 1.4L/60seg

Eficiencia de la Celda de Combustible: 40% a 12V; esto significa que el 40% de la energía

almacenada en el hidrógeno que se opera en la celda de combustible es producida como

energía eléctrica.

Si llenamos la fórmula anterior con estos valores:

Hl = 10.8x106 J/m3

VH2 = cantidad de hidrógeno producido en m3 = 1.4x10-3m3

U = 14 V

I = 7.2 A

t = 60 seg

DL HYDROGEN-B

46

Obtenemos el siguiente valor:

%40][4.0][108.10104.1

602.714

33

33

63

2

mjm

j

mjm

segAV

xxHV

tIU

lHenergética

Lo que confirma el valor de la eficiencia de la celda de combustible PEM listada en los

parámetros anteriores.