Resumen de Performance indicators for the dynamics modeling and control of PEMFC systems
Attila Peter Husar
La sociedad ya es consciente que la industria energética actual, basada en el uso de combustibles fósiles, es ineficiente, muy contaminante y tiene un suministro limitado. Dentro de la comunidad científica, hay indicios que el hidrógeno como vector energético, obtenido a partir de fuentes de energía renovables, puede representar una opción viable para mitigar los problemas asociados con la combustión de hidrocarburos. En este contexto, el cambio de la industria energética actual a una con una importante participación del hidrógeno exige la introducción de pilas de combustible como elementos eficientes de conversión de energía. Las pilas de combustible de membrana polimérica (PEMFC) están ganando cada vez más atención como dispositivos viables de conversión para una amplia gama de aplicaciones. Para optimizar su rendimiento, las PEMFC requieren un control activo y por lo tanto un conocimiento profundo de su dinámica, que incluye la mecánica de fluidos, la dinámica térmica y la cinética de las reacciones. Uno de los principales temas relacionado con su adecuado control es la comprensión de los mecanismos de transporte de agua a través de la membrana y la distribución de agua líquida. Esta tesis se basa en nueve artículos publicados en revistas indexadas agrupados en 4 sub-temas: el modelado dinámico de PEMFC, el análisis orientado a control del sistema, la identificación de parámetros y de indicadores de desempeño y, por último, la detección de fallos y su diagnosis. En el sub-tema de la modelización dinámica de PEMFC, el modelado basado en Dinámica de Fluidos Computacional (CFD) con validación experimental se ha utilizado para relacionar los efectos de los fenómenos físicos de la mecánica de fluidos y la dinámica térmica dentro de la pila [Alonso, 2009] [ Strahl, 2011] con la distribución de agua. Sin embargo, como estos modelos CFD no pueden ser utilizados directamente para el control, se han desarrollado modelos orientados a control [Kunusch, 2008] [Kunusch, 2011]. En otro estudio [Serra, 2006] se incluye un análisis de controlabilidad del sistema para el futuro desarrollo de controladores. Pero los resultados de los estudios anteriores son limitados, porque no incorporan un modelo electroquímico o porque no se han validado experimentalmente. Además, ninguno de los modelos tiene en cuenta las pérdidas de tensión debidas al agua líquida dentro de la pila. Por tanto, hay una necesidad de relacionar adecuadamente los efectos relevantes de la mecánica de fluidos y la dinámica térmica, incluyendo el agua líquida, con la tensión de la pila. Por tanto, son necesarias metodologías para determinar los indicadores relevantes asociados al efecto del agua sobre el rendimiento de la pila. [Husar, 2008] y [Husar, 2011] tratan la identificación experimental de parámetros, centrada en el transporte de agua a través de la membrana y los indicadores de pérdida de tensión, respectivamente. La aplicación de una metodología de medición indirecta permite el aislamiento de los tres tipos principales de pérdidas de tensión: la activación, el transporte de masa y las pérdidas óhmicas. Éstos indicadores de pérdida de tensión relacionan las condiciones de operación con la tensión de la pila y pueden ser utilizados para calibrar y validar modelos CFD o definir nuevas estrategias de control. Por otro lado, para tener sistemas fiables, el controlador no sólo debe considerar los indicadores de desempeño en la operación normal, sino que también debe detectar posibles fallos para poder tomar las acciones adecuadas. Un estudio preliminar sobre indicadores de fallos se presenta en [Husar 2007] y una metodología de detección de fallos completa se describe en [Lira de 2011]. En su conjunto, el compendio de artículos que forman esta tesis emplea un enfoque experimental y describe la implementación de nuevas metodologías y procedimientos para la caracterización y el modelado de pilas PEM y los sistemas asociados con objetivos orientados a su control eficiente.
