Marta & Miguel PFC
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| Diseño y montaje de una estación de trabajo para el estudio de pilas de combustible.
Sistema de Monitarización. Sistema de Control. |
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| IRI (Institut de Robótica i Informàtica Industrial) web | |
| Marta Cañada Gracia Miguel Allué Fantova | |
| Test Station 3 |
OBJETIVOS
a) En relación a la estación de trabajo
- Seleccionar los sensores y la instrumentación electrónica necesaria para poder realizar las medidas y la ejecución de las acciones de control según las especificaciones iniciales.
- Diseñar el esquema electrónico y hacer el montaje.
- Implementar en Labview la monitorización y control de la estación 3 del Laboratorio de Control (Cámara Climática)
- Monitorizar variables propias de la cámara (concentración de oxigeno, humedad relativa, temperatura) y variables de la pila de combustible (voltajes, presiones, temperaturas, contenido de agua de las corrientes de entrada y salida.
- Dar consignas a través de Labview de los valores de las variables de la cámara.
- Optimizar la adquisición y control en tiempo real
- Implementar en Labview los tests de caracterización de interés
- Espectroscopia química
- Interrupción de corriente
- Curvas de polarización
- Diseñar e implementar el sistema de seguridad de la estación
- Seguridad de las persones y espacios
- Integridad de la estación
- Generar la METADATA correspondiente a los ensayos y hacer el sistema de almacenaje y organización de los datos.
- Tratar los datos experimentales (eliminación de ruido)
- Determinar les características finales del sistema de adquisición: precisión y rangos de medida
- Presupuesto
b) En relación a la pila de combustible H-100
- Anular los controladores de la H-100 (cada uno de manera independiente) y controlar los mecanismos de actuación a través de la interfase de Labview
- Diseñar e implementar estrategias para la seguridad de la pila H-100
- Preparar la estación para un análisis de sensibilidad de la H-100 en las diferentes acciones de control
INTRODUCCIÓN
Resumen
El escenario energético actual se sustenta en combustibles fósiles cuyas reservas se están agotando y cuyo uso genera impactos que alteran el medioambiente. El desarrollo de una política energética sostenible es ya una prioridad en todo el mundo. Una posible solución factible a esta situación es la utilización del hidrógeno como vector energético. El empleo del hidrógeno presenta numerosas ventajas: tiene el valor más elevado de energía por unidad de masa, presenta múltiples posibilidades de almacenamiento y su uso en la generación de energía da lugar a la nula emisión de gases de efecto invernadero. Si el hidrógeno es utilizado como un vector energético entonces es preciso desarrollar dispositivos que puedan transformar el hidrógeno en electricidad, de una manera eficiente, sencilla y efectiva en el coste. Las pilas de combustible son uno de estos dispositivos.
La tecnología de las pilas de combustible requiere de una mayor comprensión de los mecanismos que permitan mejorar su comportamiento dinámico y la eficiencia de su generación energética. Este Proyecto Final de Carrera tiene como objetivo el diseño y construcción de una estación de trabajo para el estudio de pilas de combustible.
La pila bajo estudio en la estación es del tipo membrana polimérica de intercambio protónico (PEMFC) y de cátodo abierto. Esta última característica especial requiere innovar en su estudio, emulando diferentes situaciones ambientales mediante una cámara climática.
La implementación de la estación parte del sensado, monitorizado, adquisición y actuación sobre múltiples variables físicas (temperaturas, humedades, caudales, presiones, voltajes, corrientes y presencia de gases). La finalidad es automatizar las prestaciones de la estación cumpliendo con requisitos de seguridad rigurosos, ofreciendo un entorno gráfico fácil e intuitivo y desarrollando una arquitectura modular ampliable.
La estación desarrollada permite la realización de tests de caracterización e identificación de parámetros, tareas imprescindibles para la mejor comprensión del comportamiento dinámico de las pilas de combustible, facilitando su análisis y la concepción y resolución de acciones a tomar para el incremento de su eficiencia.
PILAS DE COMBUSTIBLE TIPO PEM (Bases Teóricas)
Nosotros utilizaremos una: H100 (Horizon H100 21 Cell 100W Open Cathode Self-humidifying, Periodically Purged Dead-end Anode PEMFC System).
REQUERIMIENTOS ESTACIÓN
Trabajaremos sobre la Estación: Test Station 3 EnCh
Con un listado de componentes: Components List for Test Station 3 EnCh
ADQUISICIÓN DE VARIABLES FÍSICAS
Sensores de Temperatura
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| IRI (Institut de Robótica i Informàtica Industrial) | |
| Termopares tipo K Termopares tipo T 1/10 | |
| Temperature |
La temperatura de una pila de combustible afecta a su comportamiento y por lo tanto a la potencia extraible de ella. Su distribución termica dependiente del diseño mecanico permitira un mejor comportamiento del stack.....Adjuntar alguna prueba tanto teórica como de laboratorio de la eficiencia de las pilas PEm en función de la temperatura...tanto de los gases como del stack...graficas... En nuestro caso podemos sensar temperaturas en los gases y en el satck y podemos, mediante acciones de control modificar los puntos de operación de temperaturas de la pila....humidificar y calentar gas de ánodo, modificar catodo mediante la temperatura de la camara climática....y la de la propia pila mediante la camará o mediante la velocidad del fan o por la máxima corriente permitida de generación de la pila..... mostrar resultados.....
Para el sensado de temperaturas en nuestro sistema se han utilizado termopares tipo K con un encapsulado que permite insertarlas en conductos de gas o botellas de humidificación.
Se adquieren 17 temperaturas repartidas de la siguente manera: De los 20 espacios de grafito entre membranas del stack se adquieren 10 temperaturas distribuidas equidistantemente. Estas 10 medidas de temperatura permitiran monitorizar y registrar la distribución térmica en el stack. También obtenemos las temperaturas de entrada y salida tanto de ánodo (2, una tras el Line Heater) como de cátodo , insertadas en tubería en el primer caso y sujetas a la estructura de metraquilato en el segundo. El centro del stack mediante una termopar colocada por el fabricante. - 10 membranas - 1 inlet anodo(del controlador) - 2 outlet anodo - 1 inlet catodo - 1 outlet catodo - centro pila - Botella humidificadora
La precisión final que tenemos tanto en el sensado de temperaturas (anodo, catodo y stack) como en las posibilidades de actuar sobre las temperaturas (anodo, catodo y stack) es de ......RESULTADOS PRACTICOS.
Sensores de humedad
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| IRI (Institut de Robótica i Informàtica Industrial) | |
| Humidity Sensor Vaisala TS3 C4510001 Humidity Sensor Vaisala TS3 C4510002 | |
| Humidity |
La Humedad es uno de los factores mas influyentes en las pilas de combustible. Tanto la humidificación de los gases que entran al stack y como consecuencia modifican la humedad de la membrana, como la autohumidificación de la membrana por generación de corriente o realización de cortes de corriente, seran factores que afectan mucho al comportamiento de pila y deberemos de poder modificar y medir estas condiciones de trabajo con la pila. Por un lado tenemos la capacidad de humidificar la linea de anodo antes de entrar al stack mediante un humidificador (sensor de humedad...como funciona ...), y manteniendo la salida a una temeperatura deseada (LH) podremos saber la cantidad de humedad saliente (mediante otro sernsor de humedad). En cuanto a l catodo en el soporte construido de metacrilato se han insertado dos sensores de humedad que nos informaran de esta variable en la entraeda y en la salida de cátodo.
Sensores de presión
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| IRI (Institut de Robótica i Informàtica Industrial) | |
| Pressure Transducer Keller 0-6bars TS3 Pressure transducer Keller 0-1Bar TS3 | |
| Pressure |
Presión de la instalación del laboratorio. Presión necesaria mínima para funcionamiento del sistema. Normalmente en las Pem normales se monitoriza y se aseguran unos valores de las presiones absolutas del sistema en ánodo y en cátodo y la presión diferencial entre anodo y catodo (la que soporta la membrana). También la caida de presion entre la salida y la entrada de anodo y cátodo puede ser una medida indirecta de la humedad en el interior de la pila....agua liquida.....
En nuestro caso trabajamos con una pila de cátodo abierto con lo que no vamos a sensar la presión en este lado de pila. Si tocamos la presión de anodo y los elementos y consecuencias que tenemos ..... valvula de entrada de gas, purgas, forward pressure regulator, pressure trasducer high and Low...
Precisión en nuestra estación en cuanto a presiones se refiere...reacción ante posibles sobrepresiones...o identificación de perdidas ante caida de presiones.... Aportar pruebas practicas de comportamiento de la pila con diferentes presiones de entrada de anodo, diferentes frecuencia de purgas o de rellenado del anodo....o en modo IRI con flujo fijado por el mass flow controller....
Sensores de presencia de gas
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| IRI (Institut de Robótica i Informàtica Industrial) | |
| Neodym H2 Sensor 711-1 Neodym H2 Sensor 711-2 | |
| Hydrogen |
El hidrógeno es el elememto quimico mas ligero. Esto supone que las fugas de este gas son mas probables ante una posible mala conexión o defecto de nuestras lineas de gas....posibles explosiones...chispas...ventilación....explicar lo que es LEM
Por todo lo anterior en el laboratorio se dispone de ....de presencia en ambiente y de presencia en el interior de la cámara donde se realizan purgas y un control de oxigeno y el stack trabaja con una estequiometria muy elevada.....
Capacidad de reacciona ante fugas (apagados automatizados...). Detector de fugas manual para inspección de gases explosivos....Relación con el sistema supervisor....
Sensor de velocidad de aire
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| IRI (Institut de Robótica i Informàtica Industrial) | |
| Air Velocity Meter EE66 | |
| Air |
Sensores de caudal
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| IRI (Institut de Robótica i Informàtica Industrial) | |
| Link al componente 1 Link al componente 2 | |
| Flow |
Sensores de voltaje
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| IRI (Institut de Robótica i Informàtica Industrial) | |
| Link al componente 1 Link al componente 2 | |
| Voltage |
Sensores de corriente
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| IRI (Institut de Robótica i Informàtica Industrial) | |
| Current Transducer 25A Current Transducer 200A | |
| Voltage |
Estado del sistema supervisor
ACTUACIÓN SOBRE EL SISTEMA
Electroválvulas
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| IRI (Institut de Robótica i Informàtica Industrial) | |
| Link al componente 1 Link al componente 2 | |
| Solenoid |
Carga electrónica programable
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| IRI (Institut de Robótica i Informàtica Industrial) | |
| Load TDI RBL 488 100V-120A-800W | |
| Load |
Velocidad ventilador
Temperatura de ánodo
Flujo másico
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| IRI (Institut de Robótica i Informàtica Industrial) | |
| Link al componente 1 Link al componente 2 | |
| Flow |
Humedad de ánodo
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| IRI (Institut de Robótica i Informàtica Industrial) | |
| Humidity Sensor Vaisala TS3 C4510001 Humidity Sensor Vaisala TS3 C4510002 | |
| Humidity |
Concentración de Oxigéno en la cámara climática
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| IRI (Institut de Robótica i Informàtica Industrial) | |
| Link al componente 1 Link al componente 2 | |
| Chamber |
Ensayos para verificación de correcto funcionamiento de la camara climática: Dycometal Environmental Chamber
Humedad relativa en la cámara climática
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| IRI (Institut de Robótica i Informàtica Industrial) | |
| Link al componente 1 Link al componente 2 | |
| Chamber |
Ensayos para verificación de correcto funcionamiento de la camara climática: Dycometal Environmental Chamber
Temperatura en la cámara climática
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| IRI (Institut de Robótica i Informàtica Industrial) | |
| Link al componente 1 Link al componente 2 | |
| Chamber |
Ensayos para verificación de correcto funcionamiento de la camara climática: Dycometal Environmental Chamber
SISTEMA DE ADQUISICIÓN Y ACTUACIÓN BASADO EN LABVIEW EN TIEMPO REAL
Arquitectura del sistema
Hardware
Acondicionamiento de señal a variable física medida
Desarrollo de la aplicación mediante programación en Labview
Diseño de la Interface gráfica
Se ha desarrollado un entorno gráfico que pretende ser genérico para todas las estaciones de trabajo del laboratorio. Por ello al ejecutar nuestra aplicación aparececerá en primer lugar un sistema génerico que podremos configurar de forma gráfica, ajustandolo a la estación en concreto que vamos a utilizar. Dicha configuración nos permite seleccionar todos los elementos de adquisición y de actuación sobre el sistema y a su vez nos generará un archivo personalizado para guardar todas las señales de interes de nuestro sistema.
Una vez realizada la configuración de la estación con la que vamos a trabajar se pasa a una segunda pantalla en la que el usuario decidirá el modo de operación de esta. Los dos modos de operación que permitirá el sistema seran:
- 1. Utilizando el controlador comercial de la pila en caso de existir.
- 2. En modo libre o con controladores desarrolados en el instituto.
Seleccionado el sistema y el modo de operación aparecerá una pantalla informativa en la que se podra comprobar la correcta configuración de nuestro sistema antes de empezar a trabajar con el. En esta pantalla obtendremos información de número de variables, pila a utilizar, modo de operación...
SISTEMA DE SUPERVISIÓN DEL LABORATORIO
Criterios y desarrollo de la supervisión en:Jordi & Miguel Supervisory System Design Proporsals
CARACTERIZACIÓN DE LA ESTACIÓN: MODOS DE OPERACIÓN, PRECISIÓN Y RANGOS DE MEDIDA
El stack H100 funciona con un controlador comercial que gestiona el consumo de corriente, los cortocircuitos, la temperatura en el centro de la pila, la velocidad del ventilador que refrigera y aporta caudal al cátodo, una válvula de entrada de hidrógeno al ánodo y una válvula de purgas en la salida de ánodo. Nuestra intención es poder independizarnos, una a una, de todas estas acciones que realiza dicho controlador comercial y poder actuar sobre ellas con total libertad.
Funcionamiento con el controlador Original
El controlador de este stack trabaja realizando cada 10s un cortocircuito y también cada 10s, pero desfasado 5s al anterior, una purga en la salida de hidrógeno del ánodo. El fan tiene el objetivo de mantener la temperatura de la pila y de aportar el caudal de cátodo. La corriente y voltaje se adquieren también en el controlador H100 y se realizan paradas del stack en caso de detectarse un valor máximo de corriente o mínimo de voltje.
Funcionamiento libre o con controladores desarrollados en el Instituto
En este caso vamos a eliminar una a una todas las variables de control que utiliza el controlador comercial de la H100.
- Consumo de corriente del Stack: Mediante dos interruptores manuales desviamos la conexión de potencia de la pila para que no atraviese el controlador comercial. De esta manera colocamos el stack en paralelo a nuestra carga electrónica y a través de esta podremos imponer nuestra demanda de corriente. La corriente que genera el stack será adquirida en todo momento mediante sensor hall ademas de por la carga eléctronica.
- Generación de cortocircuitos: Un interruptor manual permite deshabilitar dicha opción por parte del controlador incluso cuando dicho controlador esta en funcionamiento. En el modo de funcionamiento propio podemos generar cortocircuitos mediante nuestra carga eletrónica programable.
- Temperatura de la pila: En nuestro caso adquirimos 10 temperaturas en diferentes puntos del stack, asi como una única temperatura en el centro del stack que nos deja disponible el fabricante.
- Velocidad del ventilador: Se conmuta por medio de un relé entre el control por parte del controlador comercial y el control del ventilador por parte de nuetro sistema. En el segundo caso mediante un PWM podemos controlar la velocidad del ventilador y sensar la velocidad de aire en la entrada del cátodo mediante un sensor de velocidad de aire.
- Válvula de entrada al ánodo: Se trata en este caso de una válvula solenoide de 12V DC. Mediante un relé tomamos el control de esta válvula.
- Válvula de purga en la salida del ánodo: En este caso se ha colocado en paralelo a esta válvula una propia para poder replicar su funcionamiento y controlar nuestras propias purgas.
