El Reto Automatización de una estación completa de gases para caracterización electroquímica de pilas de combustible de óxido sólido (SOFC). El proyecto ha sido financiado en su totalidad por el Ministerio de Economía y Competitividad, referencia del proyecto MAT2010-08961-E). La estación de trabajo permite trabajar con diferentes combustibles para alimentar a la pila e incluye un mezclador de gases para personalizar el combustible deseado. Entre otros es posible utilizar hidrógeno (H2), metano (CH4) u otros hidrocarburos ligeros. | La Solución Control de la automatización mediante CompactRIO 9022 para alto rendimiento y fiabilidad gracias a LabVIEW FPGA y LabVIEW Real-Time. Desarrollo de aplicación para ensayo de espectroscopía de impedancia (FRA) y ensayo de Curva I-V (Ciclovoltametría). |
El Equipo Grupo investigación de la Universidad Complutense de Madrid (UCM), con Antonio J. Dos Santos-García como investigador principal. Por infraestructura e historia, la UCM ocupa un lugar de referencia en el sistema universitario español, estando situada entre las cuatro mejores universidades de España según el Academic Ranking of World Universities y situada en segunda posición en cuanto a producción científica dentro del ranking de 2012 de Investigación de las universidades públicas españolas. Es sin duda, una institución de larga trayectoria y amplio reconocimiento social. Además los investigadores que han trabajado en el proyecto pertenecen a un grupo multidisciplinar con especialistas en síntesis y caracterización de compuestos inórganicos para aplicaciones diversas. |  |
Murmann LabVIEW Consultants son Aquitectos Certificados LabVIEW (CLA) e Instructores Certificados (CPI), con amplia experiencia en desarrollo de software, en el campo de las energías renovables y en la automatización de ensayos de medida.
 | Descripción del Reto Una pila de combustible, también llamada célula o celda de combustible, es un dispositivo electroquímico que transforma la energía química, de un combustible y un agente oxidante, directamente en energía eléctrica y calor. Se trata de un dispositivo electroquímico de conversión de energía similar a una batería, pero se diferencia de esta última en que está diseñada para permitir el abastecimiento continuo de los reactivos consumidos; es decir, produce electricidad de una fuente externa de combustible y de oxígeno u otro agente oxidante en contraposición a la capacidad limitada de almacenamiento de energía que posee una batería. Además, los electrodos en una batería reaccionan y cambian según cómo esté de cargada o descargada; en cambio, en una celda de combustible los electrodos son catalíticos y relativamente estables. La conversión energética llevada a cabo en estos dispositivos es directa, es decir, tiene lugar en un solo paso. A diferencia de otros procesos termodinámicos no se producen reacciones intermedias de combustión ni pérdidas por rozamiento al no disponer de partes móviles entre sus componentes. Esto convierte a las pilas de combustible en unosdispositivos muy eficientes para conversión de la energía química en electricidad. |
De los diferentes tipos de pilas de combustible, la pila de combustible de óxido sólido (SOFC) es un tipo de pila de combustible caracterizada por poseer un electrolito sólido cerámico no poroso, dos electrodos porosos que funcionan como cátodo y ánodo de la pila, especialmente diseñados para la oxidación del combustible y la reducción electrocatalítica del gas oxidante. La temperatura de operación: 800-1000ºC, con una eficiencia Eléctrica: 60-65% (pila).
Las aplicaciones principales para este tipo de pila se centran en las aplicaciones estacionarias (comercial e industrial), la cogeneración y los vehículos de transporte (trenes principalmente)
Los retos más importantes a los que se enfrenta el desarrollo de este tipo de pilas hoy por hoy son los problemas de corrosión de los interconectores al estar sometidos a altas temperatura, el arranque en frío, sistemas de seguridad y compatibilidad de materiales.
El desarrollo y optimización de nuevos materiales que ofrezcan las mejores prestaciones, y sobre todo que permitan reducir la temperatura de operación en el intervalo 500-700ºC, para las pilas SOFC, es una de las áreas de investigación que más atención reciben por parte de los mejores grupos de investigación a nivel mundial. Se trata no sólo de evaluar el potencial de las diversas fases, sino también comprender por qué unos materiales se comportan mejor que otros y en qué magnitud. Por ello es muy importante llevar a cabo una completa caracterización estructural y electroquímica de los posibles candidatos.
Como aportación a la investigación de este tipo de células de combustible, los investigadores de la UCM se enfrentaban al reto de diseñar, construir y automatizar una estación de gases para alimentación y caracterización completa de pilas SOFC. Este proyecto fue subvencionado por el Ministerio de Economía y Competitividad (número de referencia asignado al proyecto MAT2010-08961-E).
Las aplicaciones principales para este tipo de pila se centran en las aplicaciones estacionarias (comercial e industrial), la cogeneración y los vehículos de transporte (trenes principalmente)
Los retos más importantes a los que se enfrenta el desarrollo de este tipo de pilas hoy por hoy son los problemas de corrosión de los interconectores al estar sometidos a altas temperatura, el arranque en frío, sistemas de seguridad y compatibilidad de materiales.
El desarrollo y optimización de nuevos materiales que ofrezcan las mejores prestaciones, y sobre todo que permitan reducir la temperatura de operación en el intervalo 500-700ºC, para las pilas SOFC, es una de las áreas de investigación que más atención reciben por parte de los mejores grupos de investigación a nivel mundial. Se trata no sólo de evaluar el potencial de las diversas fases, sino también comprender por qué unos materiales se comportan mejor que otros y en qué magnitud. Por ello es muy importante llevar a cabo una completa caracterización estructural y electroquímica de los posibles candidatos.
Como aportación a la investigación de este tipo de células de combustible, los investigadores de la UCM se enfrentaban al reto de diseñar, construir y automatizar una estación de gases para alimentación y caracterización completa de pilas SOFC. Este proyecto fue subvencionado por el Ministerio de Economía y Competitividad (número de referencia asignado al proyecto MAT2010-08961-E).
Dicha instalación, debería ser diseñada atendiendo a ciertos criterios de versatilidad a la hora de utilizar distintos combustibles para alimentar la pila, que podría ser alimentada tanto con hidrógeno (H2), metano (CH4), como otros hidrocarburos ligeros.
Por otro lado, el oxidante a utilizar sería el oxígeno (O2) y el gas de purga del sistema, que también serviría como gas diluyente de los combustibles, sería el argón (Ar).
El sistema de caracterización debía ser móvil, con el fin de desplazar la estación completa para utilizar otros puntos de gas estacionarios existentes en el edificio, si fuera necesario
Otros reto al que se enfrentó el equipo investigador fue el uso de materiales especiales, debido en gran medida, al régimen de trabajo particularmente exigente a causa de las altas temperatura en combinación con ambientes altamente reductores y oxidantes, al que operan las pilas SOFC.
Los investigadores eran conscientes de que la automatización de la estación era especialmente relevante a la hora de obtener resultados altamente reproducibles y para asegurar un futuro control de calidad de las celdas individuales en una primera instancia, y de los potenciales s stacks (agrupación de celdas) que podían ser manufacturados en un futuro. Fue en este punto, donde Murmann LabVIEW Consultants fue solicitado por el equipo investigador de la UCM. Murmann LabVIEW Consultants planteó y desarrolló una solución eficaz para solventar los retos en automatización que se presentaban.
Descripción de la Solución
La estación estaría formada por un banco de trabajo móvil en el que se instalarían los siguientes sistemas inventariables (adquiridos con los fondos asignados al proyecto MAT2010-08961-E):
La solución de la automatización se llevó a cabo con dos aplicaciones, comunicadas ambas por Ethernet:
La aplicación Real Time Determinista es la encargada de adquirir y generar las señales necesarias para la automatización de los procesos gracias a las tarjetas NI-9201 para ocho canales, dos tarjetas NI-9263 para controlar los termopares y una tarjeta de relés NI-9481.
Esta aplicación determinista controla el PID encargado de gestionar el funcionamiento del horno, así como circuitos de gas, temperaturas en celdas y controles de caudal.
En cuanto a la aplicación No-Determinista, lleva a cabo tareas de control de accesos, registros de usuarios, privilegios de uso. También el ajuste de parámetros de control, ajustes PID, frecuencias de muestreo, ventana de mantenimiento del sistema, gestor de alarmas, ajustes de parámetros de instrumentación AutoLab y gestión de los informes de resultados.
La estación estaría formada por un banco de trabajo móvil en el que se instalarían los siguientes sistemas inventariables (adquiridos con los fondos asignados al proyecto MAT2010-08961-E):
- Horno tubular
- Fuel Cell Tester
- Pc de Control
- cRIO
- Sistema de control de gases (electroválvulas de apertura y cierre automático, controladores de flujo másico)
- Controladores de temperatura
- Analizador de impedancia compleja
- Potenciostato/galvanostato
La solución de la automatización se llevó a cabo con dos aplicaciones, comunicadas ambas por Ethernet:
- Aplicación Real Time Determinista ejecutándose en cRIO-9022
- Aplicación No-Determinista ejecutándose en Pc con drivers de instrumentación AutoLab.
La aplicación Real Time Determinista es la encargada de adquirir y generar las señales necesarias para la automatización de los procesos gracias a las tarjetas NI-9201 para ocho canales, dos tarjetas NI-9263 para controlar los termopares y una tarjeta de relés NI-9481.
Esta aplicación determinista controla el PID encargado de gestionar el funcionamiento del horno, así como circuitos de gas, temperaturas en celdas y controles de caudal.
En cuanto a la aplicación No-Determinista, lleva a cabo tareas de control de accesos, registros de usuarios, privilegios de uso. También el ajuste de parámetros de control, ajustes PID, frecuencias de muestreo, ventana de mantenimiento del sistema, gestor de alarmas, ajustes de parámetros de instrumentación AutoLab y gestión de los informes de resultados.
Respuesta en frecuencia
El sistema automatiza los ensayos de Impedancia (FRA) y el ensayo de Ciclovoltametría (Curva I-V).
El análisis de respuesta en frecuencia (FRA) mide la magnitud y fase de la salida en función de la frecuencia. De esta manera, se toman los datos de impedancia AC de las monoceldas, celdas simétricas o conjunto de celdas a potencial de circuito abierto o a un determinado potencial. Al seleccionar este ensayo, el software muestra los siguientes gráficos:
El análisis de respuesta en frecuencia (FRA) mide la magnitud y fase de la salida en función de la frecuencia. De esta manera, se toman los datos de impedancia AC de las monoceldas, celdas simétricas o conjunto de celdas a potencial de circuito abierto o a un determinado potencial. Al seleccionar este ensayo, el software muestra los siguientes gráficos:
- Grafico Nyquist
- Gráfico de Bode X
- Gráfico de Bode Phase
- Gráfico E&I
Durante el ensayo de ciclovoltametría, se estudia la respuesta corriente-potencial de la pila de combustible o stack que se analiza. Se determinan los cambios de corriente, como una función del potencial aplicado a través de la celda o conjunto de celdas . En este ensayo, el software registra la curva VI, la intensidad y la diferencia de potencial. La solución desarrollada incluye una ventana de mantenimiento para la verificación del funcionamiento de todas las I/O configuradas en la aplicación, mostrando canales, valores, unidades escaladas, estado de activación de relés, etc. El software es completamente configurable, posibilitando la modificación de privilegios de accesos a usuarios, la modificación de todos sus parámetros de temperatura, caudales en circuitos de gases y electroválvulas.  Ventana de configuración |  Ventana de mantenimento  Ciclovoltametría (Curva I-V) |
Conclusión
Las pilas de combustible son unos dispositivos electroquímicos caracterizados por su elevada eficiencia energética, al evitar las limitaciones termodinámicas del ciclo de Carnot, y en concreto, las pilas de combustible de óxido sólido (SOFC) poseen además una gran flexibilidad en cuanto al combustible utilizado, y menor impacto ambiental en comparación con las unidades de producción de energía basadas en la combustión de combustibles fósiles. Al operar a altas temperaturas, su utilización está centrada en aplicaciones comerciales de generación distribuida estacionaria.
Durante el desarrollo del proyecto, LabVIEW se ha comportado como una potente herramienta para la adquisición y tratamiento de señales, así como para la automatización de procesos y ensayos, pudiendo alcanzar los objetivos del estudio de manera rápida y eficaz.
Es importante desarrollar sistemas que permitan la caracterización con un determinado control de calidad de este tipo de pilas para permitir su evolución y, en este sentido, afronta retos importantes: estudio de estabilidad en tiempo de operación superior a 1200 horas, arranque en frío, sistemas de seguridad y la compatibilidad de materiales.
El método desarrollado en este proyecto permite una caracterización sistemática para realizar un estudio reproducible de las propiedades electroquímicas de nuevos materiales. En este sentido, se ayudaría a una futura comercialización de las pilas SOFC para una generación más limpia y eficiente de energía.
Las pilas de combustible son unos dispositivos electroquímicos caracterizados por su elevada eficiencia energética, al evitar las limitaciones termodinámicas del ciclo de Carnot, y en concreto, las pilas de combustible de óxido sólido (SOFC) poseen además una gran flexibilidad en cuanto al combustible utilizado, y menor impacto ambiental en comparación con las unidades de producción de energía basadas en la combustión de combustibles fósiles. Al operar a altas temperaturas, su utilización está centrada en aplicaciones comerciales de generación distribuida estacionaria.
Durante el desarrollo del proyecto, LabVIEW se ha comportado como una potente herramienta para la adquisición y tratamiento de señales, así como para la automatización de procesos y ensayos, pudiendo alcanzar los objetivos del estudio de manera rápida y eficaz.
Es importante desarrollar sistemas que permitan la caracterización con un determinado control de calidad de este tipo de pilas para permitir su evolución y, en este sentido, afronta retos importantes: estudio de estabilidad en tiempo de operación superior a 1200 horas, arranque en frío, sistemas de seguridad y la compatibilidad de materiales.
El método desarrollado en este proyecto permite una caracterización sistemática para realizar un estudio reproducible de las propiedades electroquímicas de nuevos materiales. En este sentido, se ayudaría a una futura comercialización de las pilas SOFC para una generación más limpia y eficiente de energía.
Autores
J.Peña-Martínez
A.J. Dos santos-García
Daniel Murmann (Consultor LabVIEW, Murmann LVC)
J.Peña-Martínez
A.J. Dos santos-García
Daniel Murmann (Consultor LabVIEW, Murmann LVC)
