Uso de la monitorización del voltaje de la célula (CVM) para la monitorización de pilas de combustible
- ¿Por qué es importante la monitorización de la pila de la pila de combustible?
- ¿Cuáles son los parámetros decisivos de un sistema CVM?
- ¿Cuántos tipos de diseños de recogida de tensión de pilas de combustible existen y cuál es la mejor opción?
- ¿Qué tipo de accesorios son necesarios para los equipos de monitorización de pilas de combustible?
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¿Por qué es importante la monitorización del apilamiento de pilas de combustible?
Una sola pila de combustible PEM (PEMFC) puede generar tan solo 1,5 V. Para aumentar el voltaje producido y suministrar suficiente energía, las celdas se disponen en serie, creando así una pila PEMFC. El número de celdas de la pila puede variar de 5 o 10 (usadas frecuentemente para investigación y desarrollo) a 400 o 600 (principalmente para aplicaciones automotrices).
Al igual que en los sistemas de baterías, la medición del voltaje de cada celda de combustible en la pila de celdas de combustible es una herramienta importante para monitorear el estado de la pila, lo que tiene un impacto directo en la eficiencia de la pila de celdas de combustible. Se utiliza para identificar las llamadas operaciones críticas (por ejemplo, falta de combustible y aire), que pueden provocar un fallo de la pila, y permite que la unidad de control de la pila reaccione en consecuencia. Por lo tanto, el monitoreo del voltaje de la celda es crucial para proteger la pila y garantizar su máxima vida útil. Además, el monitoreo del voltaje de la celda (CVM) también es un método de caracterización económico que funciona sin interrupción durante el funcionamiento y, por lo tanto, proporciona información en tiempo real sobre el estado de la pila. Además de una lectura real del voltaje de la celda de combustible de hidrógeno, la velocidad a la que cambia el voltaje de la celda al cambiar el punto de operación de la pila también es importante para la identificación correcta de las condiciones operativas críticas en la pila. Por ejemplo, una caída rápida del OCV durante el procedimiento de apagado de la pila puede indicar un problema con la celda correspondiente.
Figura 1: Ejemplo de una pila sana con 80 celdas (fuente: Vivas, F. J., et al.: Monitorización del voltaje celular Todo en Uno. A new low-cost solution to perform degradation analysis on air-cooled polymer electrolyte fuel cells.” International Journal of Hydrogen Energy 44.25 (2019): 12842-12856.)
Figura 2: Ejemplo de una pila que funciona mal. Las celdas 6 a 24 muestran una caída de tensión significativa en comparación con el resto de celdas de la pila (fuente: Vivas, F. J., et al.: Monitorización del voltaje de las células Todo en Uno. Una nueva solución de bajo coste para realizar análisis de degradación en pilas de combustible de electrolito polimérico refrigeradas por aire.” International Journal of Hydrogen Energy 44.25 (2019): 12842-12856.)
¿Cuáles son los parámetros decisivos de un sistema CVM?
Hay varios parámetros importantes de un sistema de monitoreo de voltaje de celdas que deben considerarse. Los voltajes de las celdas se miden de manera diferencial y, por lo tanto, el número de celdas en la pila determina el número requerido de canales del sistema CVM. Para la pila de celdas de combustible, el rango de medición de voltaje suficiente de un canal es ±1,5 V. Los sistemas CVM modernos que ofrecen un rango de voltaje de canal más amplio permiten monitorear grupos de celdas (útil para pilas con un gran número de celdas, p. ej., CVM-24P ofrece un rango de ±5 V). Además, también se pueden usar para monitorear otros sistemas eléctricos como baterías o electrolizadores.
La frecuencia de muestreo de los canales (generalmente expresada en muestras por segundo o Hertz) es otra especificación crítica, especialmente si el sistema CVM mide las celdas secuencialmente. Se debe diferenciar entre la denominada frecuencia de muestreo interna (valor más alto y dependiente de la arquitectura) y la frecuencia de muestreo de todos los canales (un valor más práctico que describe la frecuencia de medición de todo el sistema). Para la monitorización en tiempo real del estado de la pila, la frecuencia de muestreo debe ser lo más alta posible para permitir una detección fiable de anomalías incluso en transitorios de carga rápida (p. ej., CVM-24P captura 500 sps). Para poder transferir los datos adquiridos a la unidad de control de la pila sin más retrasos, se requiere una interfaz de comunicación en tiempo real, como un bus CAN.
El tercer parámetro decisivo de un sistema CVM es la precisión. Los sistemas CVM modernos ofrecen un 0,02 % de escala (de nuevo, por ejemplo, CVM-24P 0,02 % de rango + 0,05 % de lectura). Para reducir la cantidad de ruido captado a lo largo de los cables, el sistema CVM debe colocarse lo más cerca posible de la pila y la longitud del cable debe minimizarse. Los cables con blindaje pueden mitigar aún más el ruido.
Dado que el voltaje de la celda se mide de forma diferencial, los canales individuales pueden medir, según el tamaño de la pila, hasta cientos de voltios con respecto a tierra. Para evitar daños en el sistema CVM, es necesario aislar los canales contra altas tensiones.
Entre otros criterios importantes se encuentran la compatibilidad con la conexión en cadena (para poder medir cientos de canales conectando varios módulos CVM), así como una resistencia a la temperatura de funcionamiento suficientemente alta del sistema CVM (para permitir el funcionamiento lo más cerca posible de la pila en funcionamiento). Además, en aplicaciones de transporte, el sistema CVM, junto con las tomas de tensión y los cables, deben ser especialmente resistentes a las vibraciones. Por último, pero no por ello menos importante, el coste del sistema CVM también es un factor decisivo, especialmente para los fabricantes de pilas que producen pilas en grandes volúmenes.
Ejemplo de componente monitor de tensión de célula
¿Cuántos tipos de diseños de captación de voltaje de celdas de combustible existen y cuál es la mejor opción?
Típicamente, el voltaje de cada célula de la pila se recoge utilizando un conjunto llamado CVM pick-up. La interconexión del sistema de monitorización de pilas de células de combustible con las células individuales (toma de tensión) puede realizarse mediante conectores sencillos, conectores de resorte, cables de resorte o incluso conexiones soldadas. La elección de la conexión óptima se rige por las limitaciones del diseño de la pila, en particular por el paso de las celdas (es decir, la distancia entre las placas bipolares).
Las pilas de automoción suelen ser más compactas y, por lo tanto, sólo ofrecen un espacio estrecho para la conexión de la toma de tensión a las placas bipolares. Lo ideal es que la toma de tensión se planifique durante la fase de diseño de la pila.
¿Qué tipo de accesorios son necesarios para los equipos de monitorización de pilas de combustible?
Dependiendo de la aplicación, el sistema de monitorización del voltaje de la pila (CVM) puede conectarse a un PC (típico para aplicaciones de investigación) o a una unidad de control de la pila de combustible (por ejemplo, microcontroladores en tiempo real). Los sistemas CVM modernos pueden equiparse con una unidad de control de pila, lo que permite una solución compacta adecuada especialmente para aplicaciones de transporte y portátiles.
Otro accesorio necesario es un software con interfaz gráfica de usuario, que proporcione una representación gráfica en tiempo real de los voltajes de las pilas (investigación y desarrollo), así como diagnóstico y control en tiempo real (aplicaciones de campo).
Figura 3: Ejemplo de software de control: CVM Manager (pestaña Cell Voltage Monitoring) de Kolibrik.net
Contenido aportado por Kolibrik.net
Kolibrik.net proporciona soluciones y productos principalmente para tecnologías H2FC y electroquímica. La electrónica y el software fabricados por Kolibrik.net pueden cubrir muchas tareas que van desde la investigación básica y aplicada, pruebas de pilas y celdas de alta potencia, prototipos de sistemas de control de pilas hasta soluciones de aplicaciones específicas. Todos los productos presentados están en plataforma modular para que puedan ser modificados según las necesidades o parámetros exactos.
Última actualización: 15.1.2023