Modelado dinámico de pilas de combustible en el contexto del control automático

Resumen

"En la tesis se han planteado modelos para la descripción del comportamiento de las pilas de combustible PEM, basados en principios físico-químicos básicos. Estos modelos permiten describir los fenómenos mas relevantes, tales como el encharcamiento de la celda, el secado de la membrana, la difusión de líquidos y gases en medios porosos, entre otros. En el planteamiento de estos modelos se ha buscado alcanzar un compromiso entre la precisión necesaria y el coste computacional, optándose por la realización de modelos 1D. Entre las hipótesis simplificadoras adoptadas cabe destacar que no se considera el flujo de calor en las capas y que la descripción 1D no permite analizar problemas fluido dinámicos complejos. "Se ha diseñado la librería FuelCellLib aplicando la metodología del modelado orientado a objetos. La librería ha sido programada en lenguaje Modelica y se ha aplicado a la construcción de modelos de pilas de 2 capas y 3 capas, asíi como al modelado de diferentes configuraciones experimentales usando dichos modelos de pilas. Se han aplicado los modelos de pilas contenidos en FuelCellLib al estudio de fenómenos que habitualmente ocurren en celdas de combustible PEM reales, analizando el efecto de diferentes parámetros de diseño y de operación sobre dichos fenómenos. Estos fenómenos son: la evolución de la tensión de la celda durante el proceso de encharcamiento, la característica IV de la celda, la concentración de oxígeno en la capa catalítica para diferentes densidades de corriente y la respuesta dinámica de la tensión de la celda debida a saltos escalones de carga. "Se ha diseñado y programado en lenguaje Modelica la librería GAPILib, que permite realizar la estimación de un número arbitrario de parámetros de cualquier modelo escrito en Modelica, empleando para ello algoritmos genéticos. Una ventaja de la librería GAPILib es que no requiere realizar ninguna modificación en el modelo a ajustar. La librería GAPILib ha sido aplicada con éxito a la estimación de los parámetros electroquímicos de modelos de celdas de combustible construidos empleando FuelCellLib. Se ha realizado el ajuste de la evolución de la tensión a lo largo del proceso de encharcamiento. También, se ha realizado el ajuste de un modelo empírico estacionario de curva de polarización IV. Finalmente, se ha ajustado la respuesta dinámica de la tensión de una celda ante una secuencia de saltos escalón en el valor de la carga. "Se ha propuesto un método para la estimación de los siguientes parámetros electroquímicos de la celda: la capacidad de doble capa, la resistencia de difusión, la resistencia de polarización, la constante de tiempo de difusión, y la resistencia de membrana. Para ello, se ha propuesto un modelo de circuito equivalente de la pila de combustible PEM, que tiene bajo coste computacional. Se ha diseñado un sistema experimental capaz de realizar la interrupción de corriente de la celda. Este sistema requiere del uso de equipos baratos y portátiles, con lo cual puede ser empleado en sistemas de control portátiles comerciales. Se han obtenido las relaciones entre la respuesta dinámica de la interrupción de la celda y los coeficientes del modelo propuesto. Se han relacionado los coeficientes del modelo propuesto con los parámetros electroquímicos de un modelo Randles, de tal manera que una vez estimados aquellos, es posible calcular éstos. Finalmente, se ha aplicado el método propuesto a la caracterización del proceso de encharcamiento. "Se ha propuesto otro método de diagnosis, que mejora algunas de las características del método anterior. En concreto, se ha propuesto un modelo de circuito equivalente de la celda con menor coste computacional, y un procedimiento de adquisición de los datos experimentales que no interfiere con el funcionamiento de la celda. Se ha aplicado con éxito este método a la diagnosis del proceso de encharcamiento de una celda de combustible PEM.