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¿Qué es un controlador de pilas de combustible?
Un controlador de celdas de combustible es la unidad central de gestión y control de un sistema de celdas de combustible, que generalmente incluye las celdas de combustible de hidrógeno en sí y el resto de la configuración de la planta que las rodea. En algunos casos, el controlador de celdas de combustible también puede controlar otros sistemas periféricos, como el sistema de almacenamiento de combustible.
El sistema de control de la pila de combustible es un componente muy importante del sistema, ya que vincula de forma lógica los componentes entre sí y también es el vínculo entre el usuario u operador y el sistema.
El funcionamiento eficaz de los sistemas de pilas de combustible puede resultar bastante complejo, ya que las pilas de combustible y otros componentes del sistema presentan un comportamiento no lineal y discontinuo en varias de sus características físicas. Para que el sistema funcione de forma segura y óptima y para evitar daños en la pila o en cualquier otro componente del sistema, se imponen exigencias muy elevadas al controlador. Como resultado, el software y los sistemas operativos subyacentes de los controladores de sistemas de pilas de combustible difieren de los sistemas que se encuentran habitualmente en la industria de consumo, ya que tienen que mostrar una alta fiabilidad, velocidad y robustez en el funcionamiento en todo momento.
¿Qué subsistemas se encuentran en los controladores de pilas de combustible?
Típicamente, el software que se ejecuta en los controladores de pilas de combustible divide el sistema en subsistemas y define varios estados de funcionamiento. Esto permite una gestión más sencilla de los estados definidos por la disposición del sistema de control. La elección de los subsistemas depende en gran medida del tipo de sistema de pilas de combustible en funcionamiento. Los siguientes son cuatro ejemplos comunes.
1. El subsistema de control de reacción
El subsistema de control de la reacción se centra en controlar las variables en torno a los reactantes que se pretenden introducir entre sí en determinadas proporciones estequiométricas, niveles de temperatura y niveles de presión. Se trata de un equilibrio crítico que hay que mantener para no destruir la membrana, el catalizador o cualquier otro elemento de las propias pilas de combustible. Además, un suministro inadecuado de reactivos a las pilas (inanición de combustible) conduce a un uso ineficiente de las mismas y reduce invariablemente el rendimiento y la eficiencia global del sistema.
2. El subsistema de control térmico
El subsistema térmico se centra en mantener unas condiciones térmicas óptimas para la zona de reacción y en otras zonas del sistema de pilas de combustible. Durante las reacciones químicas que tienen lugar en las celdas se genera una cantidad significativa de calor y las desviaciones de los valores óptimos pueden provocar daños en la membrana de la celda, en el catalizador, en otros elementos de las celdas o incluso en otros elementos de todo el sistema. Por lo general, la reacción se produce más rápidamente a temperaturas más altas y, en consecuencia, se genera más calor, lo que a su vez conduce a una reacción aún más rápida. Por lo tanto, las medidas de refrigeración deben dosificarse en consecuencia, previendo esta generación adicional de calor a temperaturas más altas.
3. El subsistema de control eléctrico
El subsistema eléctrico tiene como objetivo convertir la salida variable de corriente y voltaje de las pilas de combustible a los niveles requeridos por el consumidor eléctrico para el que está diseñado el sistema. De acuerdo con la curva de polarización y como resultado de las pérdidas óhmicas, la tensión de salida de la pila de combustible varía con la corriente extraída del sistema. Por este motivo, en el módulo electrónico de potencia de un sistema de pilas de combustible se introducen convertidores eléctricos, por ejemplo convertidores buck (para bajar la tensión), convertidores boost (para subir la tensión), filtros y estabilizadores. Todos ellos se controlan como parte del subsistema eléctrico.
4. El subsistema de almacenamiento de la pila de combustible
El subsistema de almacenamiento de combustible se encarga del depósito y sus elementos periféricos. Dependiendo del método y concepto de almacenamiento los elementos incluidos en este subsistema varían. Cuando el hidrógeno como combustible se almacena en forma gaseosa no se requiere ninguna conversión aparte de una regulación de la presión. Sin embargo, cuando se requieren otras formas, como la disolución en una sustancia de almacenamiento o la reformación a partir de metanol, el subsistema de almacenamiento de la pila de combustible aumenta en complejidad. Dado que se almacena una cantidad significativa de energía en el sistema de almacenamiento, el objetivo principal es el suministro seguro y estable de combustible al sistema de pila de combustible.
¿Cómo diseñar sistemas de control de pilas de combustible?
Como se puede ver en lo anterior, el sistema de control de pilas de combustible es un campo complejo, pero técnicamente muy interesante, ya que el control de los sistemas de energía de pilas de combustible implica la combinación del control dinámico de varios subsistemas que abarcan las áreas de ingeniería química, electroquímica e ingeniería eléctrica. Es necesario desarrollar algoritmos específicos y luego implementarlos como software en un dispositivo controlador de pilas de combustible adecuado.
Para especificar algoritmos de control adecuados para pilas de combustible, en primer lugar es necesario comprender y describir claramente la naturaleza del problema de control. En el siguiente paso se realiza una elección de las mejores variables de control para garantizar que el sistema se comporte como se requiere.
En función de las variables de control, se definen el estado de la máquina, los controles de bucle abierto/cerrado y las alarmas.
Lista de ciertos fabricantes de unidades de control de pilas de combustible
Estos fabricantes ofrecen unidades de control de pilas de combustible:
- Bosch
- Servicios de ingeniería de Continental
- Denso
- Hyundai Kefico
- Keihin
- Schaeffler Engineering
- Siemens
- Texas Instruments
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Última actualización: 20.06.2022