PFC Segway fuel cell propulsion system

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PFC Propulsión del Segway RMP 200 mediante pilas de combustible IRI (Institut de Robótica i Informàtica Industrial) web Tutor: Jordi Riera mail Enric Asunción mail Eduard Castañeda mail

Objetivos del proyecto

El proyecto parte del interés, hoy día indiscutible, de innovar en el campo de las energías alternativas a los modelos actuales basados en los destilados de crudo y la energía de fisión nuclear. Para ello se utilizarán las celdas de combustible, más conocidas como pilas de Hidrogeno. Utilizando las utlimas innovaciones en el campo, ya sea en la tecnologia de las celdas y su estructura interna como en el de el almacenamiento de hidrogeno, se pretende equiparar las prestaciones de nuestro prototipo a las de un vehiculo automata ya disponible en el mercado. Para ello se decide modelizar y diseñar un sistema alimentado por pilas de hidrogeno que permita satisfacer las actuales prestaciones que ofrecen las baterías del vehiculo Segway y que le proporcional la versatilidad, maniobrabilidad y autonomia de las cuales hace gala.

Las fases del proyecto se componen:

• Caracterización de la Alimentación del Segway.
• Modelización de los perfiles de carga en funcionamiento.
• Prediseño del sistema de Alimentación mediante Pilas de Hidrogeno.
• Implementación del Prototipo de Alimentación.
• Experimentación del Prototipo en Laboratorio.
• Diseño Final.
• Experimentación en el vehiculo automata.

Caracterización de la alimentación del segway

Battery Connector PCB	Led Weight Control	Segway Accelerometers	PCB	PCB_2
PCB_3	Segway Electronic	Segway Electronic_2	Segway Motor DC

Especificaciones de las Baterías del segway RMP 200

El Segway HT usa dos baterías de NiMH, diseñadas en colaboración con SAFT (una división de Alcatel), funcionando a un nominal de 72 voltios (2 x 36 V). Estas baterias de níquel metál-hidruro estan divididas en celdas que pueden ofrecer un alto rendimineto dentro de las distintas gamas de baterias disponibles en el mercado, optimizadas para mantener el equilibrio del Segway HT.

Cada paquete consta de una serie de celdas de alta capacidad y un diseño personalizado provisto de una placa de circuito que supervisa constantemente la temperatura y voltaje del envase en varios lugares. El montaje a su vez forma parte de otra aplicación exclusiva de GE termoplásticos, en que la caja de la batería está sellada mediante una técnica de soldadura por vibración que hace que el exterior del envase de un solo continuo estructura - sellado de la humedad y lo suficientemente fuerte como para soportar las duras pruebas durabilidad.

El cuerpo electronico de la batería incorpora un cargador inteligente- el usuario conecta el Segway HT en una toma de corriente, la bateria escojerá el ratio de carga en funcion de la temperatura, el voltaje y el nivel de carga. Las baterias empezaran el proceso de carga y automaticamente se estableceran en una situación de balance y equilibrio del modo de carga.

• El proceso de carga de las 60 celdas se realiza en serie. El circuito de carga esta basado en el Microchip PIC 16F876
• La fuente de alimentación proporcionan una potencia de 600mah por bateria.
• En plena carga el consumo eléctrico se establece cerca de los 120Watts.
• En modo de carga lento el consumo oscila en pulsos de entre 10 y 20watts.
• El consumo global del segway esta entorno de las 0,8kw·h durante un ciclo de carga de aproximadamente 12 horas.

El segway HT bajo uso normal monitoriza ambas baterías y automaticamente ajusta e incluso disminuye el flujo de las baterias. En el caso de un fallo inesperado en la batería, el sistema esta diseñado para utilizar la segunda batería operativa y permitir continuar el movimiento hasta desenbocar en una parada segura.

Fuente: http://www.spinfoot.com/SegwayBatteryFAQ.html

Modelo eléctrico de alimentación del segway	Batería Segway

A continuación se muestran los componentes de una batería NI-MH como las que utiliza la plataforma RMP-200. En ella observaremos la placa encargada del control y la monitorización de las 60 celdas de carga.

En la imagen quedan al descubierto las celdas y la placa de control

Detalle de las 60 celdas con distribución simétrica

Placa de control Fig.LEFT

Placa de control Fig.LEFT-C

Placa de control Fig.RIGHT-C

Placa de control Fig.RIGHT

Conexión Baterías

A partir de toda la información recopilada nos habíamos configurado una idea aproximada del "behavior" del sistema. Pero habían surgido nuevas preguntas y que iban a complicar aún más el objetivo de sustituir las baterías por un sistema propio de alimentación. Cada una de las dos baterías estaba dotada de un conector provisto 12 pines. En principio los cuatro pines centrales por su configuración eran de potencia, es decir, proporcionaban alimentación al segway. Los ocho restantes permanecían como incógnita. Por su diseño no podían ser de alimentación así que por reducción, bastante lógica, estos eran los encargados de enviar información. Esta información, ya con más precisión, haría referencia a los estados de tensión y temperatura internos de la batería, claramente configuraban una herramienta de seguridad y protección ante fallos. Es en este punto cuando se atisba que el objetivo inicial de sustitución de las baterías tal y como se había planteado no sería realizable. Por los siguientes motivos presentados en forma de pregunta: Podía funcionar el Segway en ausencía de estas señales? La respuesta es NO, el Segway necesita de esta información para poder funcionar. La incorrecta recepción de uno solo de los canales imposibilita que el RMP-200 de corriente a los motores y por tanto se mueva. Si permite la iniciar el sistema pero emite código de error. Podiamos obtener un conector? No. No existia la posibilidad de comprar un conector, pese a disponer de una referencia del producto. Podíamos diseñar un conector? Si mediante las herramientas de CAD se podia hacer la modelización del conector, posteriormente gracias a la impresora 3DSystems podiamos realizar una imagen de la pieza. Conocíamos la información que suministra la batería al Segway? Podíamos emular la información necesaria para que funcione el Segway? Esta era la pregunta más difícil. Para tratar de responderla recurrimos al osciloscopio, en busca de una señal reconocible, un parametro de control que fuera fácil de implementar. Por desgracia para nosotros y pese a las pruebas, no era posible determinar el lenguaje de comunicación entre las baterías y el Segway si obviamente este no se encontraba en funcionamiento. Por lo tanto debíamos construir un sistema de adquisición de datos que nos permitiera acceder al canal de datos Batería-Segway cuando este estaba en funcionamiento. Esta idea no era descabellada puesto que para modelizar el perfil de consumos ya debíamos acceder al conector, en este caso a los pines de potencia. Como veremos más adelante en el diseño del sistema de adquisición de Datos estos parámetros ya se tuvieron en cuenta. Pese a ello la decisión final fue dejar el estudio de los pines de información en Standby y centrarnos en los consumos de Potencia generados debido al alto coste de la ingeniería inversa que implicada sin tener certeza de resultados concluyentes. Actualización: Grácias a la colaboración de Sergi Hernández, responsable de las plataformas TIBI-DABO, se pudo tener acceso a las tramas de comunicación entre las baterías y el control del segway. Partiendo de la base que el protocolo de comunicación empleado es un I2P, se hizo un registro de todos los datos de comuniación para su posterior desencriptación. Teniendo en cuenta los parámetros que definen la estabilidad y sin sustituir de modo alguno la electronica y logica de comunicación el proposito era mantener el correcto funcionamietno independiente del sistema de alimentación escogido. Para ello se debían implementar sendas placas con protocolo I2P y con capacidad de escritura y lectura. La frecuencia de la interfaz de comunicación es de 200kHz y lleva asociada un volumen de unos 16KB/s. Para ello cabria entro otros elementos dimensionar un buffer de datos. Dado este nuevo paso, ahora si se podía desarrollar un sistema de alimentación plenamente sustitutivo. A su vez estaría dotado de los mismos parámetros de seguridad que el presente de origen. Este último punto es fundamental para permitir un funcionamiento sencillo ya que se podrían establecer paradas de emergencia, sin necesidad de desarrollar electrónicas paralelas que eviten la caída del sistema global.

Detalle 3D del conector Original Esquema pins de comunicación y potencia Conector 3D puente Batería Conector 3D puente Segway

Adquisición de Datos

Una vez estudiado los componentes básicos del sistema de alimentación del segway estamos preparados para proceder a parametrizar del comportamiento estático y dinámico del mismo. Debido al carácter dinámico, se evidencia la necesidad de realizar un equipo de medición hasta cierto punto complejo. Este factor se une a las propias características de las variables de estudio, que detallamos a continuación, por lo que el sistema finalmente implementado debería cumplir con un conjunto de requisitos: Equipo versátil y compacto. Registro de Datos a Distancia. Registro de Datos en Tiempo Real. Visualización de Muestras a Tiempo Real. Resolución y precisión adecuados. A partir de los requisitos y dado que el IRI y más en concreto el laboratorio de Pilas de combustible en el cual realizamos el proyecto contaba con distintos dispositivos RTOS de National Instruments, decidimos utilizar la estructura basada en el controlador Compact RIO 9012 que se adaptaba a la perfección a las necesidades descritas. Variables necesarias A partir de los objetivos iniciales se determinaban las variables relativas necesarias. Por un lado el cálculo de la potencia consumida, implicaba le medición de los valores de intensidad y voltaje suministrados por las baterías. Para medir la información del canal de datos, se propuso medir el valor de la tensión para cada uno de los canales de salida de información de las baterías. Finalmente como la distribución interna de las baterías es simétrica, subdividiríamos el sistema de adquisición de manera idéntica.

Modulos FPGA

Variables utilizadas:

Equipos de medida

Los equipos utilizados para la obtención de datos son los que a continuación se especifican:

National Instruments CompactRio Real-Timer Controller Media:CR9012.pdf	NI WAP3711 Media:CR9012.pdf
Controlador embebido que ejecuta LabVIEW Real-Time para control, análisis y registro de datos determinísticos Procesador de 400 MHz, almacenamiento no volátil de 128 MB, memoria de 64 MB DRAM Puerto de Ethernet 10/100BASE-T con servidores embebidos de Web y archivos con interfaz de usuario de panel remoto Puerto USB de alta velocidad para conexión a USB flash y dispositivos de memoria Puerto serial RS232 para conexión a periféricos; entradas dobles de suministro de 9 a 35 VDC Rango de temperatura de operación de -40 a 70 °C	Punto, cliente y puente de acceso inalámbrico IEEE 802.1de 1g/b Software de administración basado en Web incluido Seguridad de privacidad equivalente cableada (WEP) de 64 y 128 bits Entrada de doble potencia redundante de 24 VDC Cubierta de metal, clasificación IP30; Clase 1, División 2 para lugares peligrosos Soporte para montaje en riel DIN
NI 9203 Media:NI9263.pdf	NI 9205 Media:NI9205.pdf
4 salidas analógicas actualizadas simultáneamente, 100 kS/s Resolución de 16 bits Operación intercambiable en vivo (hot-swappable) Certificados de calibración trazable expedidos por el NIST Rango de operación de -40 a 70 °C	Conectividad de terminal de resorte o D-Sub Resolución de 16 bits, rango de muestreo acumulado de 250 kS/s Rango de operación de -40 a 70 °C Operación intercambiable en vivo; protección de sobrevoltaje; aislamiento 32 entradas analógicas de una sola terminal o 16 diferenciales Rangos de entrada programables de ±200 mV, ±1 V, ±5 V y ±10 V Certificados de calibración trazable expedidos por el NIST
Isolation Amplifier AD202JN Media:AD202JN.pdf	Current Transducer HAS50S Media:HAS50S.pdf
FEATURES Small Size: 4 Channels/lnch Low Power: 35 mW (AD204) High Accuracy: ±0.025% max Nonlinearity (K Grade) High CMR: 130 dB (Gain = 100 V/V) Wide Bandwidth: 5 kHz Full-Power (AD204) High CMV Isolation: ±2000 V pk Continuous (K Grade) (Signal and Power) Isolated Power Outputs Uncommitted Input Amplifier APPLICATIONS Multichannel Data Acquisition Current Shunt Measurements Motor Controls Process Signal Isolation High Voltage Instrumentation Amplifier	FEATURES Hall effect measuring principle Galvanic isolation between primary and secondary circuit Isolation voltage 3000 V~ Low power consumption Extended measuring range (3 x IPN) Insulated plastic case made of polycarbonate PBT recognized according to UL 94-V0 Right angle pins for direct PCB mounting High immunity to external interference. APPLICATIONS AC variable speed drives Static converters for DC motor drives Battery supplied applications Uninterruptible Power Supplies(UPS) Switched Mode Power Supplies(SMPS) Power supplies for welding applications.
DC/DC RECOM RP20 2415DFW Media:RP202415DFW.pdf	ENIX Li-ion Battery Pack 15V 2.2Ah
4:1 Wide Input Voltage Range 20 Watts Regulated Output Power 1.6kVDC Isolation Over Current and Over Voltage Protection Six-Sided Shield No Derating to 63°C Standard 2” x 1” Package and Pinning Efficiency to 86%

Esquema del sistema de obtención de datos

Elementos del Sistema de Adquisicion de Datos (DAQS)	Elementos del Sistema de Adquisicion de Datos (DAQS)
Elementos del Sistema de Adquisicion de Datos (DAQS)	Elementos del Sistema de Adquisicion de Datos (DAQS)

Montaje

Foto general del montaje para la obtención de datos en modo tractor 30/07/2009

Montaje del conector.

Pruebas Consumo Segway RMP-200

Modelización de los perfiles de carga en funcionamiento

Prueba Nº1: Desplazamiento en modo tractor (BAJADA CALLE)

Comparació de Potencies obtingudes mitjançant CRio i dades propies del Segway

Lectura de intensidad modulo 21

Lectura de intensidad modulo 22

Potencia consumida modulo 21

Potencia consumida modulo 22

Prueba Nº2: Desplazamiento en modo tractor (CALLE)

Comparació de Potencies obtingudes mitjançant CRio i dades propies del Segway, prova realitzada al carrer en desnivell pla

Prueba Nº3: Desplazamiento en modo tractor a velocidad de 2m/s

Comparación de las potencias obtenidas tanto del segway como del CRio, a velocidad de 2m/s

Lectura de intensidad para el modulo 21, a velocidad de 2m/s

Lectura de intensidad para el modulo 22, a velocidad de 2m/s

Potencia consumida associada al modulo 21, a velocidad de 2m/s

Potencia consumida associada al modulo 22, a velocidad de 2m/s

Estudio de los perfiles de carga

Una vez estudiados los distintos diagramas podemos estimar los Consumos del segway: Configuración de Máximos:

• Electronica del segway: 60 Wattios
• Potencia de Tracción: 120 Wattios + Perdidas Rend. Motor (Aprox. n = 0.95) + Electronica Motor (Aprox. n = 0.90) = 140 Wattios.
• Potencia TOTAL: Electronica del segway + Potencia de Tracción = 200 Wattios

Datos de interes:
• Consumo remanente: 60 Wattios (reducidos a la electronica)
• Desplazamiento a velocidad constante en subida(velocidad 1m/s i pendiente media aprox: 4.25%): 100 Wattios
• Consumo máximo (Para velocidad de 1m/s i bloqueando el deplazamiento) : 250 Watts
• Desplazamiento a velocidad constante en plano(2m/s): 100 Wattios

Prediseño del sistema de Alimentación mediante Pilas de Hidrogeno

Pilas de Combustible HORIZON - 300

H-300	H-300 CONTROLLER
PILA H-300 Media:H300.pdf

Una pila de combustible es un dispositivo que convierte la energía química almacenada en un fluido en electricidad. Este proceso químico tiene lugar en presencia de oxígeno u otro elemento oxidante. Hay muchos tipos de pilas de combustible, pero todas consisten en un ánodo (referencia negativa), un cátodo (Referencia positiva) y un electrolíto que permite a las cargas moverse de un extremo a otro de la pila. Los electrones fluyen del ánodo al cátodo mediante un circuito externo, produciendo corriente continuo. La mayor diferencia existente entre las diferentes tecnologías de pilas de combustible se halla en el electrolito que utilizan. Una sola celda suele producir pequeñas cantidades de electricidad, es por ello, que se suelen suceder estas en una adición (Stacks) en serie o paralelo para aumentar la energía producida. En la producción de energía, además, se generan agua, calor y en función del tipo de pila, pequeñas cantidades de dióxido de nitrógeno. El resultado final es una eficiencia entorno el 40-60% o incluso 85% si la perdidas térmicas en forma de calor son reaprovechadas. Fuente:http://en.wikipedia.org/wiki/Fuel_cell Para el caso de nuestro proyecto utilizaremos pilas de de combustible de Hidrógeno. Estas pilas tienen numerosas aplicaciones, como por ejemplo la de suministrar alimentación de emergencia, producir energía en lugares de difícil acceso, plantas de generación de gran capacidad y cogeneración (en cuyo caso el calor producido en las reacciones es reaprovechado para aumentar la eficiencia global). El almacenamiento en forma de hidrógeno también permite realizar aplicaciones dinámicas haciendo funciones similares a las de las baterías. Así pues la utilización de pilas de combustible basadas en Hidrógeno tiene largo recorrido tanto en el transporte terrestre como marítimo ya sea enfocado a viajeros como mercancías. Siendo mas concretos utilizaremos pilas dotadas de una membrana para intercambio de protones, este tipo de pilas son conocidas por sus siglas en inglés como PEM (Proton exchange membrane). Sus aplicaciones más comunes son las relativas al transporte. Entre sus características encontramos unos bajos rangos de presión y temperatura de trabajo (50-100ºC) así como su membrana polimérica. Como ya hemos comentado el principio de la reacción es el descrito para las pilas de combustible. La descomposición de las moléculas de hidrógeno en reacción con el oxigeno mediante una reacción química permite generar electricidad. En detalle diremos que el Hidrógeno es liberado en el ánodo de la membrana. En ese punto se produce la separación ,gracias al catalizador, en protones y electrones. Esta reacción de oxidación (el Hidrógeno cede un electrón) la representaremos como: Los protones formados pasan a través de la membrana hacia el cátodo. Los electrones se ven obligados a circular a través del circuito externo hacia ese mismo punto de la membrana polimérica. Este trayecto de electrones es el que genera el corriente eléctrico de la pila de combustible. Al mismo tiempo el oxígeno es liberado en cátodo de la membrana. Es en ese punto donde entra en juego la segundo reacción. En esta las moléculas de oxígeno reaccionan con los protones que se hallan cruzando la membrana y los electrones que realizan el circuito exterior. En ese momento es cuando a causa de la reacción de reducción se forma el agua. Esta reacción viene descrita como: La reacción global: Para el correcto funcionamiento la membrana debe conducir los iones de hidrógeno pero no así los electrones pues esto daría lugar al cortocircuito de la pila. La membrana tiene que ser impermeable al flujo de gas, evitando así el la presencia de "gas crossover". Finalmente, la membrana debe ser resistente al ambiente reductor del cátodo y al ambiente oxidante del ánodo. La separación del hidrógeno resulta relativamente fácil mediante la utilización de platino. El proceso realmente complicado el la separación de las moléculas de agua, este factor es el que causa las pérdidas eléctricas más significativas. El catalizador óptimo resta por desarrollar y hasta la fecha el más utilizado es el compuesto por platino. A modo de nota apuntaremos que se han realizado prototipos con capacidad de generación de hasta 99 amperios por centímetro cúbico a un voltaje de 0,8 volts. Otra perdida significativa corresponde a las perdidas generadas en el trayecto de los protones a través de la membrana originadas por la resistencia de esta misma. Esta resistencia puede ser disminuida con la adopción de membranas de apenas 50 micrómetros de espesor. Las pilas PEM son una clara solución para el vehículo de transporte dado su tamaño compacto. Sin embargo el tratamiento del agua generada debe ser muy tenido en cuenta. Demasiada agua provoca la inundación de la membrana, y la carencia provocara el efecto de secado que tampoco es buscado. En ambos casos el resultado es la disminución de la energía producida. El catalizador de platino es un elemento muy sensible al envenenamiento por monoxido de carbono, y la membrana es sensible a los iones metálicos, cuyo origen puede ser la corrosión de elementos de la propia pila como los platinas bipolares. El tipo de membrana más utilizado es el Nafion (Dupont). Este se basa en la humidificación de la membrana para transportar los protones. Esto implica a su vez que las temperaturas de trabajo no deberán superar la franja entre 80-90ºC. La eficiencia a la que suelen llegar las pilas de combustible del tipo PEM oscila entre el 40 i el 60%. Fuente: http://en.wikipedia.org/wiki/Proton_exchange_membrane_fuel_cell

Esquema interno simplificado de una pila de combustible tipo PEM:

En el esquema observamos ,en una caracterización estandard, los flujos de hidrógeno, oxígeno, generación del corriente eléctrico y agua. También se puede ver la distribución de los platos de canalización, el ánodo, cátodo y por ultimo la membrana polimérica. http://www1.eere.energy.gov/hydrogenandfuelcells/pdfs/fct_h2_fuelcell_factsheet.pdf	H2 y Ánodo: El hidrógeno es canalizado hacia el ánodo, donde el catalizador separa el hidrógeno en electrones con carga negativa de los protones con carga positiva. El platino se encuentra en un entorno de carbono que lo confiere las propiedades porosas. http://www1.eere.energy.gov/hydrogenandfuelcells/fc_animimation_process.html	PEM: La membrana permite que los protones cargados positivamente fluyan hacia el cátodo. Los electrones se ven obligados a realizar un circuito externo alrededor de la membrana. Esta circulación genera el corriente eléctrico de la pila de combustible. http://www1.eere.energy.gov/hydrogenandfuelcells/fc_animimation_process.html
Cátodo: En el cátodo se produce la segunda reacción. En esta el oxigeno, los electrones y los protones del hidrógeno se combinan en una reacción de reducción. http://www1.eere.energy.gov/hydrogenandfuelcells/fc_animimation_process.html	Cátodo: Finalmente como producto de esta reducción obtenemos moléculas de agua. http://www1.eere.energy.gov/hydrogenandfuelcells/fc_animimation_process.html

Posibles métodos de alimentación del segway

Debido a la complejidad de la conexión entre las baterías y el sistema de control del segway, generada por los puertos de comunicación de datos (temperatura y estado de carga de las celdas) existentes, se hace necesario abordar el proyecto en tres fases diferenciadas:

• Alimentación del segway con pilas de Hidrógeno mediante la entrada AC de carga de la batería, manteniendo las actuales baterías.
• Alimentación del segway mediante el conector DC de las baterías en paralelo con las mismas.
• Alimentación del segway únicamente con pilas de combustible mediante el conector DC de las baterías, emulando las señales (A o D) generadas por las baterías.

Alimentación en entrada AC

Alimentación en entrada DC - Baterías

Substitución baterías


This is a like about the batteries in the segway Segway wiki

Opciones

Opción DC/AC Entrada: 80-120 V DC (600W) Salidas: 24 V DC (600 W) -> 12 V DC (Controller aprox. 50 W) 230 V AC (120 W) Electronics 24 V 300 W Another suplies (150W) Ventajas Todos los componentes son facilmente adquiribles en el mercado. Flexibilidad del sistema. Facilidad comercial. (Se puede vender). Menor dificultad de implementación. Inconvenientes Rendimientos. El sistema depende de un solo convertidor. (Dependencia entre electronica y propulsion) A nivel academico poco depurado. Esquema DC/AC Cantidad Descripción Precio Total Rend. 2 x Convertidor DC/DC 24V SD-350 175 € 350 € 87 % 1 x TEN60-2412 DC-DC, 18-36V in 12V out,60W 82,20 € 82,20 € 90 % 1 x Convertidor dc-ac mascot 2 pines,24/230V 300W 137,66 € 137,66 € 90 % Total 569,86 € 81,5 % Pérdidas totales = 130 W

Opción DC/DC Entrada: 80-120 V DC (600W) Salidas: 24 V DC (350W)-> 12 V DC (Controller aprox. 50 W) Electronics 24 V 300 W 170 V DC (120W) Another suplies (130W) Ventajas Menor numero de saltos entre salidas(Mayor rendimiento). Aplicación especifica (Desde el punto de vista del segway). Independencia entre electronica y propulsion. Inconvenientes Necesidad de hacer el DC/DC del cargador a medida. Coste? Poca flexibilidad. Tiempo de fabricación del DC/DC??? Dificultad global. Coste? Esquema DC/DC Cantidad Descripción Precio Total Rend. 1 x Convertidor DC/DC 24V SD-350 175 € 175 € 87 % 1 x TEN60-2412 DC-DC, 18-36V in 12V out,60W 82,20 € 82,20 € 90 % 1 x Fabricación Conversor DC/DC 80-120 / 156 min. ??? € ??? € 90 %? Total 257,20 € 87 % Pérdidas totales = 78 W Rendimiento minimo del DC/DC 80-120 / 156 = 78,3 % Para tener el mismo rendimiento global que en el caso DC/AC

Opción Final DC/AC Esquema DC/AC2 Cantidad Descripción Precio Total Rend. 1 x Convertidor DC/DC 24V 100W Mean Well SD-100C-24 65 € 65 € 81 % 1 x Convertidor DC/DC 12V 100W Mean Well SD-100C-12 73,47 € 73,47 € 77 % 1 x Convertidor DC-AC Victron Phoenix Inverter 48/750 Media:Victron_Phoenix.pdf 419 € 419 € 94 % Total 555,47 € ? %

Proposed Components to be Purchased

FUEL CELL OPTIONS -------------------------------------------------------------------------------------------- A)2x300 Watt H-Series which develops the Nominal power at 43V an 7A. The specifications include: Blower an Purge Valvule at 12VDC Flow rate at rated:2x3.9lH2/min (On a Parallel distribution) Global:7.8lH2/min Average efficiency of 40% at 43V H2 pressure range: 5.8 - 6.5psi Weight:2x2000gr Global:4000gr (4kg) B)1x500 Watt Fuel Cell Stack The specifications include: Blower an Purge Valvule at 12VDC Flow rate at rated:6.5lH2/min (On a Parallel distribution) Average efficiency of 45% at 21V H2 pressure range: 7.2 - 9.4psi Weight: 2800gr (2.8kg) To accomplish the specifications there are several options that can be used in order to obtain the same results. A1)2x300 in series to obtain 43x2VDC output at 7A. By using a DC/DC converter to a 72VDC. The specifications include: 40xMH20 02 Metal Hydride storage. Maximum storage capacity: 40x20sl Global:800 sl Flow rate: 40x0.25sl/min (at 25ºC) Global:10 sl/min (at 25ºC) Weight: 40x180gr. Global:7200gr (7.2kg) A2)2x300 in a parallel structure to obtain 43VDC output at 2x7A. A DC/DC converter must be used to boost the tension to 72V. The specifications include: 40xMH20 02 Metal Hydride storage. Maximum storage capacity: 40x20sl Global:800 sl Flow rate: 40x0.25sl/min (at 25ºC) Global:10 sl/min (at 25ºC) Weight: 40x180gr. Global:7200gr (7.2kg) B1)1x500 a DC/DC bust converter would be needed to obtain a 72VDC output. The specifications include: 32xMH20 02 Metal Hydride storage. Maximum storage capacity: 32x20sl Global:640 sl Flow rate: 32x0.25sl/min (at 25ºC) Global:8 sl/min (at 25ºC) Weight: 32x180gr. Global:5760gr (5.76kg) SUMUP GLOBAL SPECIFICATIONS: A+A1) also A+A2): Installed power(PN): 600W Storage Capacity: 800 sl Autonomy: 1.7 h (102 min.) Energy: 1020 W·h Weight: 4000gr + 7200gr = 11200gr (11.2kg) Energy vs. Weight = 91.07 W·h/kg Power vs. Weight = 53.57 W/kg B+B1): Installed power(PN): 500W Storage Capacity: 640 sl Autonomy: 1.63 h (98 min.) Energy: 816.6 W·h Weight: 2800gr + 5760gr = 8560gr (8.56kg) Energy vs. Weight = 95.4 W·h/kg Power vs. Weight = 58.41 W/kg

Fuel Cell system: Cost: 5500€ Vendor: Udomi Description 2x300Watt at 36V nominal each, so a total of 72V. H2 consumption per unit 4.2 SLPM Metal Hydrid Hydrogen Storage: Cost: 8700€ Vendor: Udomi, Description: for 1 hour autonomy 8.4x60=504 liters, 50x20 liters MH storage tanks @ 100€ per tank + 50€ in fittings. Batteries: Cost: 348€ Vendor: Only Battery Ultra capacitors: Cost: 420€, Vendor: Maxwell Battery and capacitor power management electronics: Cost: 600€ Vendor:Steca Solar, Description: 3x24Volt charger based on solar panel application Electrical Sensors: Cost: 600€ Vendor:LEM analog devices, Description: 4xCurrent, 6xVoltage, 300€ 4xTemperature National Inst. cartridge Fluid Sensors: Cost: 1600€ Vendor: Description: 1000€ 1x mass flow meter, 300€ 2 x pressure transducer. Fluid components: Cost: 400€ Vendor: Asco, Description: 2x normally closed solenoid valves Total Price: 18.168€ Weight calculation for 2hrs at 600 Watts: Option One: Replacement of complete Power Supply with Fuel cells 2x300 Watt fuel cell 2x1.7kg=3.4kg 50x20 slH2 storage 50x0.18kg=9kg Approximate weight Ultra capacitors/batteries=0.5kg Approximate Fittings connections = 1kg Approximate Electronics weight = 1kg Structure weight = 0.5kg Total Weight: 15.4kg Option Two: Range extender system (On board battery charger) 1x200 watt fuel cell 1.25kg 50x20 slH2 storage 50x0.18kg=9kg Approximate Fittings connections = 1kg Approximate Electronics weight = 1kg Structure weight = 0.5kg Total Weight: 12.75kg Note: The weight of the units can be reduced by decreasing the number and/or type of H2 storage tanks. Which is dependent on the autonomy desired. laptop: 1500€ Related Information: Product catalog - Price list - Udomi web page Note: IVA: 16%

Experimentación del Prototipo en Laboratorio

En el laboratorio disponemos de 3 Pilas PEM 300WATTS. Pese a que se disponen de gráficas de origen, que detallan las curvas POTENCIA-TENSIÓN, se ha dispuesto de un análisis más profundo y exhaustivo de las mismas comprobándose ciertos parámetros no descritos previamente. También disponemos del Inversor Phoenix 750VA y de los convertidores de corriente del fabricante Meanwell, tanto el SD-100 12 como el SD-100 24. Con todo los recursos disponibles procedemos a realizar distintos estudios del comportamiento de nuestro sistema a implementar. Para ello procederemos en fases y buscaremos diseñar un WorkStation lo más versátil posible de manera que facilite la realización experimental de los mismos. Para ello cave considerar y disponer de distintos elementos y componentes electrónicos que nos ayudaran a realizar, verificar y registrar los datos. Así pues utilizaremos: Carga Programable Corriente continua y Alterna: TDI TRANSISTOR 100V 120A 800W Carga Programable Corriente continua: HOCHERL & HACKL 60VdC 150A Fuente de Tensión de Laboratorio: POWERBOX 100V 10A Fuente de Tensión de Laboratorio: PROMAX FAC 363B Osciloscopio DIGITAL: YOKOGAWA DL1540CL PINZAS AMPERIMÉTRICAS: CHAVIN ARNOUX 1-100A TESTER: FLUKE 787 Modulos CRio y FPGA de National Instruments Software LabView 8.6 Lectura y registro de Datos en Tiempo Real.

Visión simplificada del LABORATORIO

ESTUDIO DE LOS PERFILES DE CARGA

Una vez se dispuso en el laboratorio de las pilas HORIZON H-300, se procedió a realizar las pruebas de comportamiento frente a una carga programable. La carga receptora en continua estaba parametrizada a tiempo real mediante el sistema de adquisición de datos vía Wifi de National Instruments. Este sistema fue implementado para realizar las medidas de consumo del Segway RMP-200 y apenas requirió de cambios para poder obtener datos de TENSIÓN e INTENSIDAD solicitados por la carga. En las gráficas adjuntas se muestra el comportamiento y zonas de características de funcionamiento de las pilas de combustible PEM. Se observaran también particularidades del proceso de purga de hidrogeno. En las que pese a mantener la misma frecuencia entre purga y purga la duración de las mismas es variable. Esta se prolonga en a bajas potencias y se acorta a medida que se aumenta la solicitación. Otro fenómeno de gran interés es el efecto del Short Circuit (SCU). Para las pilas H-300 de HORIZON existe las posibilidad mediante un interruptor de habilitar o deshabilitar su uso. Las gráficas evidencian un aumento de la potencia proporcionada para los mismos rangos de tensión si dejamos el interruptor en las posición ENABLED.

H-300-1

Datos H-300-1 Voltaje, Intensidad y Potencia

GRAFICOS H-300-1 Voltaje, Intensidad y Potencia

H-300-2

Datos H-300-2 Voltaje, Intensidad y Potencia

GRAFICOS H-300-2 Voltaje, Intensidad y Potencia

H-300-3

Datos H-300-3 Voltaje, Intensidad y Potencia

GRAFICOS H-300-3 Voltaje, Intensidad y Potencia

Conjunto de datos obtenidos para las pilas H-300-1, H-300-2 I H-300-3

Implementación del Prototipo de Alimentación

Convertidores e Inversores de Corriente

Como ya hemos comentado y testeado, la pila de combustible tiene un perfil de carga singular. Este perfil variable necesita ser ajustado puesto que la mayoría de aplicaciones necesitan de o bien una corriente continua estabilizada en torno un cierto valor (5VdC, 12VdC, 24VdC,etc. ),o de una fuente de corriente alterna de valor eficaz estable (110VaC, 230VaC). En un estudio previo (punto 5 Prediseño del sistema de alimentación) y a partir de los datos que aportaba el fabricante ya se tenia presente una configuración provista de convertidores e inversores. En este punto podemos decir que la "mitad" del trabajo de diseño se hallaba realizado. El punto en conflicto era pues pasar de la teoría a la práctica.

Evolucion de las distintas configuraciones

VICTRON PHOENIX 750:Desarrollado para uso profesional, la gama de inversores Phoenix es ideal para innumerables aplicaciones. El criterio utilizado en su diseño fue el de producir un verdadero inversor sinusoidal con una eficiencia optimizada pero sin comprometer su rendimiento. Al utilizar tecnología híbrida de alta frecuencia, obtenemos como resultado un producto de la máxima calidad, de dimensiones compactas, ligero y capaz de suministrar la potencia, sin problemas, a cualquier carga. www.victronenergy.com MEANWELL SD 100 12/24:Los convertidores de corriente (DC/DC) Meanwell SD se caracterizan por un tamaño compacto y dimensiones contenidas. Tienen un amplio rango de entrada (36-72V), imprescindible dada la curva de polarización de las pilas de combustible. A su vez tiene protecciones contra cortocircuito, sobretensión y sobrecarga. Aislamiento I/O 1500VAC. Filtro EMI, reducción ruido rippel. Frecuencia de conmutación de 83kHZ. Una eficiencia del 77% (Modelo SD 12) y del 81% (Modelo SD 24). Media:Phoenix Inverter_750VA_DSHEET_ES.pdf Media:MEANWELL_SD_100_12.pdf Media:MEANWELL_SD_100_24.pdf

PRESENTACIÓN GLOBAL PHOENIX 750VA PHOENIX 750VA MEANWELL SD100 24 MEANWELL SD100 12 PRESENTACIÓN GLOBAL VICTRON 750VA VICTRON 750VA MEANWELL SD100 24 MEANWELL SD100 12

Compatibilidad Eléctrica PILA vs CONVERTIDORES/INVERSORES

Entrando en el comportamiento especifico de nuestras pilas de combustible Horizon 300 definiremos que : La tensión e intensidad prosiguen curvas con tendencias opuestas. Así en OPEN CIRCUIT, mientras la intensidad es nula la tensión se mantiene estable entorno de los 65V. Al incrementar la carga aplicada en bornes de la pila la intensidad incrementa al tiempo que la tensíon disminuye. Todo ello delimita unos rangos te tensión-intensidad que nos son imprescindibles para realizar el diseño del sistema de potencia. El primer punto y fundamental hace referencia a la necesidad de adecuar esa tensión de salida. El segundo punto es tener claro las cargas que alimentaremos ya sean de continua o alterna. También resulta imprescindible dimensionar el consumo total, así como las cargas parciales máximas.

1) Con la llegada de la unidad PHOENIX INVERTER 750 VA de la casa VICTRON se realizó una operativa similar a la adoptada para las pilas, parametrizar el comportamiento. De manera más sencilla, se pretendía observar los márgenes útiles de la pila. ANOTACIÓN: En el mercado no existe un modelo de inversor a Alterna que trabaje en los márgenes de tensión en los que lo hace la pila de combustible. La PEM 300W trabaja entre los 65V en vacío y los 41 V margen inferior de desconexión. Por otra parte los márgenes más habituales de funcionamiento en la entrada de los inversores de alterna oscilan entre los 44-60V. Una vez descartada la posibilidad de construir nuestro propio inversor de alterna, se decidió buscar en el mercado un inversor con las siguientes características: Alta eficiencia. Amplio margen de entrada. Peso contenido. Tamaño compacto. De los distintos fabricantes y modelos comparados, en un reunión se consensuo la adquisición de la citada unidad PHOENIX 750. Este especifica una alta eficiencia 96%, el peso más bajo, 2.8kg, y el margen de entrada más amplio 42V-62V. En el estudio de parametrización se delimitaron las distintas franjas útiles delimitadas por dos variables: Tensión de Entrada y Potencia de Salida. A continuación se muestra la tabla con los resultados obtenidos.El proceso de experimentación consistía en: Fuente de Alimentación de continua (1-100V,1-10A) Un inversor PHOENIX 750VA Una carga variable de Alterna. Esta consistía en la adicción en serie de una carga de continua y una fuente de alimentación de alterna. Esta implementación era necesaria por no disponer de una carga programable en alterna Sistema de adquisición de datos CRio. Otra vez el CRio nos era de gran utilidad para registrar y poder evaluar posteriormente los datos obtenidos de las distintas tensiones y corrientes del sistema. Análisis de los datos obtenidos: El primer análisis, erróneo, nos llevó a interpretar que el inversor estaba dotado de una condensador, este le permitía realizar una extraña curva de intensidad en la entrada. El posterior análisis detenido del procedimiento experimental nos condujo a reflexionar acerca de cómo realizábamos dicha lectura. Fue ahí cuando dimos con la fuente del problema. La velocidad de muestreo no era los suficientemente alta, esto se traducía en un fenómeno de aliasing en nuestros datos. El problema pues tenía fácil solución, se accedió al módulo CRio y se aumentó la velocidad de lectura hasta 1ms. A partir de este momento aparecieron los primeros datos relevantes. El funcionamiento del inversor se caracterizaba por mantener un nivel de tensión con amplitud contenida, mientras que en el caso de la intensidad sufría un más que notable rippel. Este rippel aumentaba su amplitud conforme se demandaba mayor potencia en la salida. El rippel descrito tenía un frecuencia de 100HZ. De toda la fase experimental con el inversor la fase crítica pues se centraba en el rippel que demandaba en la entrada el inversor. La pregunta consecuente era: ¿Sería capaz la Pila de combustible de Proporcionar dicho rippel? ¿Este comportamiento sería dañino para la Pila? Empezando por la segunda pregunta, al dirigirnos a Attila P. Hussar nos apreció que las oscilaciones en la intensidad no debían ser dañinas. Lo ejemplificó de la siguiente manera: uno de los mecanismos de optimización del funcionamiento de las PEM está basado en la imposición de una SHORT CIRCUIT en el interior de la pila. Este procedimiento eleva la intensidad muy por encima de los márgenes comprendidos por el rippel. Descartado el problema de los márgenes del rippel, la duda radicaba en si la PEM seria capaz de proporcionar la oscilación a la frecuencia especificada. Para ello se procedió a comprobar el behaviour experimentalmente. El análisis experimental estaba configurado por: Una PEM 300W Una fuente de alimentación de continua, para el controlador a 15VdC. Una carga programable de continua conectada a una fuente de alimentación de ordenador que representaría el consumo de alterna. Inversor PHOENIX 750VA Sistema CRIO Osciloscopio. Con el fin de comprobar el comportamiento en la salida de la pila de combustible. El tube fitting necesario para proporcionar el hidrogeno a la pila. La operativa finalmente consistía en arrancar la pila, una vez estabilizada conectar el inversor y la carga de alterna controlada mediante la carga programable de continua. Concluimos que efectivamente el rippel seguía presente y la pila era capaz de proporcionarlo. Los márgenes de fluctuación eran estables +/-0.5V mientras que los valores de corriente oscilaban entre los 7/12A para una demanda de 300W i 44V. Pese a este comportamiento el sistema era plenamente competente y quedaba acreditada su funcionalidad.

Experimentación en el Laboratorio Experimentación en el Laboratorio Experimentación en el Laboratorio

Sistema acumulación de Hidrógeno

El hidrógeno requiere ciertas precauciones directamente ligadas a sus propiedades como combustible: El hidrógeno forma moléculas de pequeño tamaño con un peso molecular pequeño y baja viscosidad, como resultado, el hidrógeno puede filtrarse con una tasa de flujo molecular mayor, penetra a través de los materiales y pasa a través de pequeñas vías de fuga de otros gases. Tiene una amplio rango en el cual resulta combustible con otros gases. Otro efecto dado su pequeño tamaño atómico es que conlleva una difusión en el interior de los recipientes que lo acumulan. Este fenómeno conlleva una disminución de la tenacidad, el recipiente como consecuencia será más frágil. La difusión es posible, incluso a través de materiales sólidos, en particular, los materiales orgánicos, que pueden conducir a la acumulación de gas en espacios cerrados. La acumulación del hidrógeno liquido a su vez presenta las complicaciones tecnológicas de muy bajas temperaturas. Añadiremos a los puntos anteriores: Incoloro e inodoro. Baja energía de ignición. Llama de alta temperatura. La llama resulta invisible a plena luz del día. Un coeficiente de Joule-Thompson negativo, que se traduce en el hecho que una fuga puede hacer auto-ignición. La expansión del gas a presión constante, con coeficiente negativo, da lugar a un incremento en la temperatura del gas. Este incremento puede dar lugar al fenómeno de auto-ignición Amplio rango desde el limite de baja a alta ignición. En detalle: Ignición: las mezclas de hidrógeno pueden hacer ignición siendo sometidas a bajas energías de reacción, con una décima parte menos energía que por ejemplo la necesaria para una mezcla aire-gasolina. El origen puede hallarse en descargas estáticas. Aunque la energía de auto-ignición del hidrógeno es mayor que en la mayoría de hidrocarburos, dado el límite inferior de ignición, se hace más propensa la reacción aire-hidrógeno. La mínima energía para el encendido por chispa a presión atmosférica es de entorno los 0,02mJ. Mezclas: los límites de inflamabilidad basados en el porcentaje de hidrógeno sobre el volumen de aire a 1atm son de 4,0 y 75,0%. La inflamabilidad del hidrógeno basado en el porcentaje sobre el volumen de oxígeno son, a 1atm, de 4,0 y 94,0%. los límites de explosión van de 18,3 hasta 59% por volumen. Fugas: el hidrógeno para ambos casos, estado liquido o gas, esta directamente sujeto a fugas dada su baja viscosidad y peso molecular (las fugas son inversamente proporcionales a la viscosidad). Como consecuencia de esta baja viscosidad el hidrógeno presenta una tasa de fuga cien veces superior al JP-4 (Jet propellant, queroseno de aviación), cincuenta veces superior al agua y diez veces superior al nitrógeno líquido. Las fugas de hidrógeno pueden mantener la combustión con bajos niveles de flujo, hasta 4 micro-gramos por segundo. Prevención:la correcta ventilación de las zonas de acumulación ya supone un buen sistema de prevención. La alta capacidad de difusión del hidrógeno favorece su disipación en el ambiente, reduciendo así los potenciales de inflamación, auto-ignición o detonación. Los equipos eléctricos o electrónicos que se encuentren por necesidad cerca de la zona estarán específicamente concebidos para trabajar en este tipo de entornos, en los cuales puede haber concentraciones elevadas de hidrógeno. Por este motivo deberán estar sujetos a la correspondiente certificación. Será necesaria la adopción de mecanismos de detección y aviso, en la forma de sensores. Un aditivo en forma de olor puede ser añadido para facilitar la detección mediante el olfato. Aunque a simple vista no puede observarse una llama si se pueden emplear visores UV/IR. Hydrogen Safety Manual Media:HYSAFE_D113_version1_1.pdf

Bombonas MH-20

Las bombonas (canisters)MH-20, basadas en la tecnología metal hydride, han sido fabricadas por Horizon Fuel Cell Technologies. Están fabricadas con un aleación de aluminio para la cubierta y una aleación de ReNi5 con capacidad para absorber hidrógeno, expandiendo y liberando calor una vez se encuentra en saturación. La presión interna de la bombona permanece a 8bar a temperatura ambiente (20-25ºC) con un incremento de peso de 1,8g. Una vez la válvula de presión se abre y la presión se reduce, el hidrógeno empieza a ser liberado de manera continua desde la aleación, que a su vez absorbe calor. Si el índice de calor absorbido por la bombona disminuye, también lo hará el flujo de hidrógeno. La cubierta de aleación de aluminio tiene una gran conductividad térmica que facilita el la conducción hacia la aleación ReNi5 durante la carga y descarga de la bombona. El nivel de absorción por esta aleación se ve afectada de manera significativa por la oxidación debida a la humedad. Por este motivo, el hidrógeno utilizado no debe tener una pureza inferior al 99,99%. Las bombonas deben permanecer alejadas del fuego y temperaturas superiores a 40º durante la activación, llenado, almacenado o utilización. La máxima presión en la válvula de entrada no debe exceder los 40bar. La presión de carga debe ser, al menos, 1.5 veces superior a la presión interna de la bombona. La bombona debe ser puesta horizontal durante el proceso de activación, de otra forma la aleación ReNi5 puede romperse. Las bombonas de Metal Hydride requieren de un proceso de activación. Este proceso consiste en realizar un ciclo de carga y descarga. Se eleva la presión interna de la bombona hasta los 30bar (este proceso dura entorno los 80min). Posteriormente, se libera parte de la presión hasta alcanzar los 10bar. Repitiendo la operativa de carga, volvemos a rellenar las bombonas hasta los 30bar (tras 60min este proceso esta completo). Como vemos este ciclo se repetirá por cuatro veces, donde al fin tendremos las bombonas activadas.

Especificaciones técnicas bombonas MH-20 Documentación MH-20 Media:MH-20.pdf

Manifold MH-20 EVO6

El primer paso una vez establecida la acumulación base-tipo, MH-20, es cuantificar la capacidad total de almacenamiento que debe disponer nuestro equipo. Como ya hemos establecido anteriormente, nuestro equipo esta dotado de dos pilas de combustible Horizon 300 (H-300). Esta pilas demandan de un flujo nominal de 3,9ln/min en condiciones y uso nominal. Dado que las bombonas MH-20 proporcionan un flujo en condiciones ambiente (20-25ºC) de 0,2ln/min, fijamos que el número mínimo de bombonas será de 20. El siguiente parámetro, una vez fijados los parámetros que aseguran el funcionamiento en régimen nominal, es el estudio de la energía acumulada. El echo de alimentar la electrónica y propulsión del vehículo autómata nos configura una autonomía acorde con las prestaciones que demandará el usuario de dicha plataforma. El diseño final tiene en cuenta una autonomía a plena carga de 100 minutos. Mientras que en condiciones estándar esta puede alargarse hasta cerca de los 200 minutos. Globalmente estas especificaciones quedarán satisfechas con la adopción de un sistema dotado de 48 bombonas, 24 por pila de combustible. Teniendo en cuenta los criterios anteriores deberemos realizar un sistema de acumulación que además sea compacto y que tenga en cuenta una interconexión en paralelo. El sistema prototipo tiene ciertas desventajas. En caso de fuga o fallo de una de las bombonas no resulta posible realizar una desconexión parcial , puesto que estas no tiene un sistema de cut off. El conector de apertura de válvula proporcionado por el fabricante, es un mero punteador. Este por presión habilita la valvula y el paso de flujo. El problema es que el conector es un bypass directo. En un montaje en paralelo, la extracción de la bombona que presentará problemas implicaría la fuga incontrolada a través del conector. La solución adoptada es dividir la acumulación en módulos (manifods). Estos módulos estarían configurados por 6 bombonas cada uno y conectados en paralelo mediante quick-connectors. En caso de incidencia esta práctica debería servir para aislar el problema, dado que el modulo con la presencia de una bombona dañada puede ser desconectado y reemplazado. La adopción de un sistema provisto de un quick-connector por bombona fue descartado por el coste económico y dimensional. El sistema resultante por módulo: Flujo 1.2ln/min Capacidad de 120ln H2. Peso de 400g/u (Sin contar las bombonas y con rebaje y alojamiento opcional) Los módulos a su vez estarán divididos en tres configuraciones. Manifold_vP, Manifold_vC y Manifold_vV. Los componentes y operaciones necesarios se describen a continuación:

Manifold_vC Componentes: 6 x Bombonas MH-20 6 x Conectores Udo MH-20 7 x B-200-1-OR Swagelok 1 x B-4-PST Swagelok 1 x B-400-2-2PR Swagelok 1 x B-QM2-B-200 Swagelok 1 x B-QM2-S-200 Swagelok 1 x B-401-PC-2 Swagelok PFA tube 1/8

Manifold_vC Operaciones: Obtención lingote 50x22x120mm (Desbastado y fresado) 2 x Taladro superior diámetro 3mm profundidad 110mm 1 x Taladro lateral diámetro 3mm profundidad 45mm 6 x Taladro frontal díametro 1/8" 1 x Taladro superior diámetro 1/8" 1 x Taladro superior diámetro 1/4" 1 x Taladro lateral diámetro 1/4" 7 x Roscado SAE 1/8" 2 x Roscado SAE 1/4" Rebaje y alojamientos Opcionales.

Media:Plano_Mecanizado_Manifold6_vC.pdf

Manifold_vC

Manifold_vP Componentes: 6 x Bombonas MH-20 6 x Conectores Udo MH-20 6 x B-200-1-OR Swagelok 1 x B-4-PST Swagelok 1 x B-400-2-2PR Swagelok 1 x B-QM2-B-200 Swagelok 1 x B-QM2-S-200 Swagelok 1 x B-401-PC-2 Swagelok 1 x B-400-1-OR Swagelok 1 x PGI-50M-LG6-LAQX Swagelok 1 x Unión recta 1/4" Swagelok Tube SS 1/4 PFA tube 1/8

Manifold_vV Operaciones: Obtención lingote 50x22x120mm (Desbastado y fresado) 2 x Taladro superior diámetro 3mm profundidad 110mm 1 x Taladro lateral diámetro 3mm profundidad 45mm 6 x Taladro frontal díametro 1/8" 2 x Taladro superior diámetro 1/4" 1 x Taladro lateral diámetro 1/4" 6 x Roscado SAE 1/8" 3 x Roscado SAE 1/4" Rebaje y alojamientos Opcionales.

Media:PLANO_MANIFOLD_6vPV.pdf

Manifold_vC

Manifold_vV Componentes: 6 x Bombonas MH-20 6 x Conectores Udo MH-20 6 x B-200-1-OR Swagelok 1 x B-4-PST Swagelok 1 x B-400-2-2PR Swagelok 1 x B-QM2-B-200 Swagelok 1 x B-QM2-S-200 Swagelok 1 x B-401-PC-2 Swagelok 1 x B-400-1-OR Swagelok 1 x B42S4 1 x Unión recta 1/4" Swagelok Tube SS 1/4 PFA tube 1/8

Manifold_vP Operaciones: Obtención lingote 50x22x120mm (Desbastado y fresado) 2 x Taladro superior diámetro 3mm profundidad 110mm 1 x Taladro lateral diámetro 3mm profundidad 45mm 6 x Taladro frontal díametro 1/8" 2 x Taladro superior diámetro 1/4" 1 x Taladro lateral diámetro 1/4" 6 x Roscado SAE 1/8" 3 x Roscado SAE 1/4" Rebaje y alojamientos Opcionales.

Media:PLANO_MANIFOLD_6vPV.pdf

Manifold_vC

Base aluminio Mecanizada

Base aluminio Mecanizada

Vista explosionada de un módulo Manifold_vC

Estudio y diseño del disipador para las bombonas MH-20

El objetivo del disipador es básico por los siguientes motivos: Aumentar la eficiencia del sistema global, por medio de la utilización del aire caliente procedente de la pila. Servir de plataforma firme de apoyo para la colocación de las bombonas MH-20. Aumetar la eficiencia del proceso de carga de las bombonas MH-20 Ejercer de unidad modular facilmente accesible y removible. El primero de los puntos le confiere el caracter más novedoso. El proceso de descarga de un modulo de almacenamiento de las características Metallhydrid implica la absorción de energía. Es decir, el flujo de salida implica un proceso endotérmico en el cual la bombona se enfría. Esto tiene implicaciones directas sobre el funcionamiento y rendimiento de las mismas. Las bombonas vienen caracterizadas por un flujo nominal a temperatura ambiente. Este flujo es dependiente de la temperatura, de manera que a mayores temperaturas podemos obtener mayores caudales y se restringe el flujo en disminuir la temperatura de la bombona. A partir de estas premisas básicas vayamos a nuestro caso concreto: En el diseño de nuestra PEM la poténcia nominal que podemos obtener (300 Watts) implica un flujo nominal de aproximadamente 4ln/minuto de Hidrogenol. El sistema de acumuladores de Hidrogeno esta dotado de 20 bombonas MH, estas a su vez tienen un flujo nominal a temperatura ambiente (25ºC) de 0.2ln/minuto. Como vemos el diseño de acumualción está optimizado para poder aportar el flujo necesario a la pila de combustible en regimen nominal y temperatura ambiente. Cabe no obstante diversas apreciaciones: El propio funcionamiento de la pila puede implicar que pese estar en condiciones de temperatura ambiente, 25ºC, la convección de la pila con el entorno no se suficiente. Este desequilibrio provocará la disminución de la temperatura de la bombona que acarrerá la disminució del caudal disponible, entrando el sistema en una zona de riesgo si se le solicitan potencias elevadas. El equipo de alimentación diseñado debía poder trabajar a temperaturas inferiores a la temperatura ambiente descrita. Por tanto el problema de la reestricción de flujo por temperatura ambiente debe quedar resuelto Dadas estas posibilidades era preciso analizar de qué manera podríamos solventar los problemas de manera sencilla y práctica. Surgieron diferentes propuestas entre ellas la utilización de una resistencia o malla térmica que permitiese el calentamiento de las bombonas para ciertas condiciones. Pero en principio fueron desechadas por el coste efectivo en el rendimiento global del sistema. La búsqueda de una fuente de calor acabo con la idea de improvisar un colector en la salida de los ventiladores de la propia Pila. Este colector conduciría el aire cálido procedente de la reacción interna de la pila. Este aire forma parte del calor residual, que dada la eficiencia media de una pila de combustible y la experiencia, corresponde en proporción a la potencia desarrollada en el interior de la pila. Así, en el primer prototipo aparecía un colector de doble tapa y un disipador de aluminio con alojamientos para las bombonas de MH-20 y distintos agujeros que canalizaban el aire a través del disipador. Una idea sencilla de aumentar la eficiencia del sistema global. El problema ahora residía en el cálculo de dicho disipador. Para empezar se desconocía la potencia asociada al proceso de descarga de la bombona. El desconocimiento se debe a que no aparecen referencias de ningún tipo en la bibliografía especializada. Esto tiene implicaciones a nivel de patentes del fabricante y este no aporta los datos en legítimo derecho. En vista de dicha problemática se optó por implementar un sistema de experimentación que nos permitiese evaluar y cuantificar los valores de potencia. En estos experimentos debíamos poder visualizar el flujo para establecer un relación con la potencia absorbida para la descarga y la cedida para la carga. Rápidamente se fijó la idea de un medio idealmente adiabático en el cual aparecía la bombona de MH. Esta experimentaría en dicho medio ambos procesos pudiéndose cuantificar la variación en las propiedades del sistema global. De manera concreta y explicando la operativa experimental, esta consistía en: Un recipiente adiabático. Termo al vacío. Un medio con el cual intercambiar la energía-potencia asociada al proceso. Agua o Etanol. Una Bombona MH-20 El tube fitting necesario para extraer o aportar el hidrogeno en los momentos de descarga o carga de la bombona. Un sistema de medida de la temperatura interna del recipiente. Termopar. Un sistema de control y medida del flujo o caudal. Utilizaríamos un Flowmeter del fabricante Bronkhorst. Este nos permitiría ajustar distintos flujos de salida variables para observar una posible relación de proporcionalidad entre las potencias y dichos flujos.

MONTAJE INICIAL CON SECCION MONTAJE INICIAL CON SECCION MONTAJE GLOBAL CON MONITORIZACION

El esquema global del montaje quedaría según muestra la siguiente figura. Sistema de adquisicion de Datos para el FLOW TEST

A continuación se muestran los distintos datos obtenidos.

DATOS DE LA BOMBONA MH-20-104	DATOS DE LA BOMBONA MH-20-104
DATOS DE LA BOMBONA MH-20-104	Valores globales de Carga y Descarga

Anotaciones ADICIONALES. A lo largo de la experimentación se pudo comprobar las variaciones no despreciables en el comportamiento de la bombona sometida a distintas temperaturas. Así pues el caudal límite asociado a 70ºC era muy superior al caudal limite asociado a 25ºC para el proceso de descarga y entre esta última temperatura y los -13ºC en el proceso de carga. Concluiremos dos puntos importantes para la carga y descarga: DESCARGA Si la temperatura ambiente es de 25ºC el proceso viene limitado entorno de los 0.25ln/minuto. Si la temperatura ambiente es de 70ºC el proceso viene limitado por entorno los 1.25ln/minuto. Esto nos da idea que la demanda energética que pueden satisfacer las bombonas MH-20 puede ser muy superior dependiendo de las condiciones en las cuales se encuentren. CARGA Si la temperatura ambiente es de 25ºC el proceso de carga se fija en torno los 60-100 minutos. Si la temperatura ambiente es de 70ºC el proceso de carga se fija en torno de los 15-25 minutos. Esto supone que dependiendo de las condiciones, el tiempo de carga de las bombonas MH-20 puede ser ampliamente reducido.

Simulación CFD

Con los datos registrados se optó por realizar un estudio más exhaustivo utilizando las herramientas de simulación disponibles: Ansys Worckbench 11.0 y Comsol Multiphysics 4.2. Ambos incorporan un live-link que facilita mucho el estudio al poderse importar los archivos CAD realizados en Solidworks. Realizaremos un estudio doble en el cual evaluaremos si nos hallamos dentro de un flujo laminar o por contra en régimen turbulento. Y cuantificaremos el calor transferido, así como, la temperatura en un estadio final estacionario.

Estudio del flujo a través de la bombona, disipador y colector

El primero de los estudios trata de constatar la verosimilitud del estudio de simulación mediante la comparación con resultados experimentales. En este estudio partiremos de un modelo formado por una bombona MH-20 rodeada de un ambiente uniforme y a una temperatura de 293K (20ºC). La bombona, en el instante inicial, estará suministrando el caudal nominal estipulado de 0,2ln/minuto a la temperatura ambiente de 293K. Para estas condiciones hemos determinado que el flujo de calor absorbido por la misma es de 4,9W. El objetivo final será demostrar que se produce un enfriamiento de la bombona desde su temperatura inicial hasta una de equilibrio. En este primer estudio no introduciremos la dependencia temperatura-caudal de hidrógeno que se deriva en un decremento en la potencia, puesto que imponemos que el flujo es constante. Estudio del tipo de flujo: Realizaremos la hipótesis de reducción del sistema a un flujo laminar. Evaluaremos el Reynolds obtenido en la simulación y asumiremos dicha configuración o por contra redefiniremos nuestro sistema como en estado de flujo turbulento. Partiendo de la base que nuestro fluido es aire ambiente que ha sido canalizado a través de la pila con el objetivo de refrigerar a la misma y posteriormente es evacuado por el reverso. Este fluido no presentará cambio de fase a lo largo de la etapa en la cual realizamos el análisis. Con el objetivo de aumentar la eficiencia y tiempo de cálculo de nuestra simulación, y dado que el sistema presenta claras simetrías reduciremos el modelo partiendolo longitudinalmente y por un cuarto frontal. El sistema queda determinado por volumen de aire de proporciones 30x30x350mm. Para determinar el caudal necesitaremos conocer las especificaciones de los ventiladores de las pilas H-300. Finalmente la pérdida de carga la estableceremos con la ayuda de un sensor que medirá la velocidad del flujo de aire en la boca de la pila. La temperatura de dicho caudal sera impuesta por los resultados experimentales obtenidos mediante un sensor termopar a la salida de los gases de la pila. La temperatura para nuestro flujo sera pues de 313K (40ºC).

El sistema quedara determinado por: Fluido: aire con las propiedades siguientes Fuente de calor: El dominio de la bombona MH-20. En un proceso endotérmico cuya potencia total es de 4,9W. INLET: Superficie de entrada del caudal de aire. OUTLET: Superficie de salida del caudal de aire. OUTFLOW: Condiciones del caudal de salida. Paredes del Sistema: Nos delimitan el entorno por el cual fluye el caudal. Condiciones Iniciales: Temperatura de la bombona así como la del fluido que la envuelve. Ambos se encontrarán par t=0s a 293K. Caudal: en nuestro caso lo delimitaremos mediante el parámetro velocidad. El flujo es de 0,7m/s en el INLET. Temperatura del Caudal: La temperatura del caudal en la entrada del INLET será de 313K.

Esquema del Estudio "Conjugate Heat Transfer"

El desarrollo de la simulación se fundamente en la correcta aplicación de las restricciones del sistema y la optimización del mallado de los elementos. El mallado resulta un factor clave para la optención y validación de los resultados. En el desarrollo de la simulación se han desechado soluciones a priori válidas. Es ahí donde resulta vital una correcta inspección, comprensión, comparación y análisis con los conocimientos adquiridos. Algunas premisas básicas para el correcto mallado son: elección del tipo de elemento de la malla, numero de elementos totales y calidad de la malla. No siempre se puede ejercer control total sobre estos parámetros, pues, por distintos motivos o bien hay una limitación en su número o tipos utilizables. En Comsol Multyphysics el elemento utilizado es el free tetrahedral. El numero de elementos viene en buena medida limitado el procesador y la memoria RAM disponible. Para nuestro estudio se utilizó un procesador Intel(r) Core(TM) i5 CPU 650 at 3.2GHz y 8Gb de memoria RAM. La distribución de los elementos y si cabe el factor clave. Hay determinadas zonas que por geometría o condiciones del sistema requieren de una mayor precisión. Por contra se pueden identificar zonas donde ejercer un control elevado mediante muchos elementos no conduce a un resultado notoriamente mejorado. Por contra si implican un aumento en el tiempo de proceso de la simulación.

MH-20 Canister con los disipadores de aluminio acoplados

I Estudio MH20 en ausencia de Convección Forzada y Disipador

El primer estudio tiene como objetivo evaluar y cuantificar los efectos del vaciado de la bombona en un entorno sin convección forzada. Experimentalmente se demuestra que se produce necesariamente un enfriamiento de la bombona que persigue encontrar un punto de equilibrio. Este punto de equilibrio es tal que permite que el gradiente térmico bombona-entorno unido a la disminución del flujo total de salida se compensen y se estabilicen. El diseño en nuestro caso será el de una bombona MH20 en un entorno a temperatura 293K. Donde la potencia absorbida por la botella prosigue una expresión cuadrática con la temperatura a la que se halla. Así para una temperatura de 293K la bombona absorbe 4.9W, cifra que se reduce hasta los 2.45W para una temperatura de 283K. Para ello necesitaremos implementar una función en el modelo que nos describa esta dependencia Potencia-Temperatura. Esta función tendrá repercusión directa en la fuente de calor Heat Source que definiremos más adelante en la resolución del Conjugate Heat Transfer. En detalle, estableceremos la variable aveop1(T) como la temperatura media en la superficie de la bombona. La potencia absorbida por la bombona P_act quedará definida como: (1) Pact = 24.5 * (7.7e − 5 * aveop1(T2) * (1[1 / K2]) − 0.035006 * aveop1(T) * (1[1 / K]) + 3.85)[W] En nuestra fuente de calor Heat Source substituiremos en la casilla General Source-User defined la expresión: (2) Q = Pact / V[W / m3] Donde V representará el volumen de la bombona en [m^3]. Proseguiremos con la definición de los parámetros iniciales y fronteras de nuestro dominio. Nuestro fluido ha sido determinado aleatoriamente, però teniendo en cuenta que sus límites son abiertos a el entorno. Es decir la bombona se encuentra en un entorno abierto. El medio que envuelve la bombona adopta la forma de un cubo cuyas paredes (entorno) se encuentran bajo la determinación de open boubdary. Las condiciones iniciales de temperatura tanto para la bombona como el entorno son de 293K como ya hemos fijado anteriormente. Finalmente realizaremos el mallado del conjunto. Prestaremos especial cuidado en realizar un buen mallado de las zonas límite de contacto. Para ello añadiremos un nuevo campo Size en el cual especificaremos la calibración para el tipo de elemento y su calidad. En nuestro caso utilizaremos la calibración para fluid dynamics con una resolución mejorada y calidad fine. En el dominio interior de la bombona utilizaremos la calibración general physics y calidad fine. El resto del modelo permitiremos la generación automática de la malla.

El conjunto estará formado por: Un total de 230.696 elementos. 230.696 tethraedral elements 6.312 triangular elements 384 edge elements 24 vertex elements

Calidad del mallado, mejor cuanto más cercanos a la unidad

Cuanto más a la derecha se encuentre la dispersión mayor calidad de la malla

La calidad media sera de 0,8331 para un elemento de mínima calidad de 0,3676. El volumen medio sera de 1,38E-4 m^3. Con la base del modelo formulado partiremos a realizar la simulación. La primera simulación buscará encontrar de manera directa el estadio de equilibrio del sistema. Así pues seleccionaremos Study -> Stationary. Generaremos sendos gráficos de Temperatura y flujo Transferencia de calor. Los resultados obtenidos pueden ser extraídos a modo de informe. De esta manera podemos cuantificar y evaluar de manera inmediata los criterios adoptados. Deberían cumplirse obligatoriamente las restricciones de (1) Temperatura-Potencia y (2) Flujo de calor-Potencia.

II Estudio MH20 con Convección Forzada y en ausencia de Disipador

Como en todos y cada uno de los estudios la modelización previa de la simulación se hacía manteniendo el esquema simétrico para favorecer la obtención de unos resultados optimizados. De esta manera se exponia 1/4 de bombona MH20 a un flujo laminar. La modelización de este flujo, como ya hemos comentado, se caracterizaba por una velocidad de entrada que aproximaríamos a los 0,7m/s. Sin la presencia disipador buscaríamos la temperatura que alcanzaría la bombona en estado estacionario. Debemos precisar claramente el siguiente punto: el perfil de temperaturas en el interior de la bombona MH20 resulta muy complicado de parametrizar. Esto es debido a la composición y estado. Desconocemos el comportamiento de la mezcla de la bombona, formada por Re (Renio) y Ni (Níquel) en un estado que depende del índice de carga de la misma bombona. Parecería, pues, que modelizar la temperatura de la misma no solo sería imposible sino que además esto podría tener consecuencias en la relación temperatura-caudal que aporta la bombona. Analíticamente, por contra, si podemos decir que existe una relación final entre la temperatura en la superfície y el rendimiento en cuanto al fluido extraído. Esto es debido a que la mayor parte de la masa de la bombona la conforma la botella que almacena el polvo de ReNi5 (el cuerpo de la bombona esta constituido por Al (Aluminio). La mayor inercia térmica, unido al echo que tanto Re como Ni son buenos conductores térmicos, nos permite aprobar un simplificación del sistema. Con todo ello, concluiremos que el factor final decisivo será conocer la temperatura de la superficie de la bombona por la cual se deben disipar los 4,9W procedentes de la reacción interior por la cual se liberan 0.2ln/minuto de Hidrógeno. Utilizando las definiciones ya indicadas en la presentación del problema nos disponemos a realizar el mallado del modelo: Una vez incorporada la bombona, dividiremos el fluido en tres secciones. Las dos situadas en los extremos utilizarán un elemento tipo "fluid dynamics" con con una calidad "coarser". La central que contiene alto valor para la modelización utilizará un elemento tipo "fluid dynamics" con una calidad "fine". Por ultimo en el dominio de la bombona utilizaremos un elemento tipo "general physics" con una calidad "normal". El conjunto estará formado por:

El conjunto estará formado por: Un total de 368.162 elementos. 368.162 tethraedral elements 51.946 triangular elements 4596 edge elements 170 vertex elements La calidad media sera de 0,8167 para un elemento de mínima calidad de 0,0312. El volumen medio sera de 1,063E-6 m^3.

Calidad del mallado, mejor cuanto más cercanos a la unidad Cuanto más a la derecha se encuentre la dispersión mayor calidad de la malla

Grafica 3D de la temperatura [K] En la primera podemos apreciar la distribución de la temperatura para 't=2s' en isosuperficies. Vemos claramente el gradiente térmico alrededor de la bombona así como su estela.

Grafica 3D de la voritcidad [1/s] Grafica 3D, voritcidad [1/s] y número Re De mayor importancia si cave para la validación de las hipótesis experimentales resultan las siguientes gráficas de la vorticidad y el número de reynolds. En ellas verificamos que nos hallamos en flujo laminar ya que nos encontramos por debajo de Re<2·10^3. Nuestra hipótesis de partida pues es cierta. La simulación puede tenerse en cuenta.

III Estudio MH20 con Convección Forzada y Disipador

En este último estudio la base de la simulación, entorno, límites y fuente de calor es la misma que para el estudio II. Sin embargo la adición del disipador de aluminio afectará claramente a la complejidad del modelo. Dada la geometría representará un reto la generación de un mallado de calidad. La reducción del volumen de fluido entorno la bombona puede ocasionar un efecto embudo no deseado. Como en los anteriores estudios, el perfil de temperaturas en el interior de la bombona tiene un interés relativo. El énfasis del estudio estará puesto en la canalización del fluido y en las puntas del disipador. Ya experimentalmente se observa una desviación en los resultados que converge a medida que se utiliza un mallado de mayor calidad y estratégicamente colocado. Estos factores se visualizan mediante cortes en el plano perpendicular al fluido de la variable velocity magnitud. También son imprescindibles los estudios del número de Reynolds y la vorticidad, dado que perseguimos validar la hipótesis de flujo laminar. Simultáneamente evaluaremos tanto la respuesta de la temperatura a nivel transitorio como estacionario y la compararemos con los resultados obtenidos en el estudio II. Deberíamos observar una mejor comportamiento a nivel transitorio, traducido en un calentamiento de la bombona manifiestamente más rápido. En estado estacionario los hechos a constatar son dos: la temperatura de régimen que alcanzamos y el tiempo que tardamos en alcanzar dicha temperatura. En el primer caso debería ser claramente superior al estudio en ausencia de disipador. En el segundo la respuesta no es tan evidente pues depende del primer factor. Dado que la temperatura de equilibrio es mayor, también podría ser mayor el tiempo que tardamos en alcanzarla. Si bien parece claro que el tiempo que transcurrirá hasta alcanzar el valor máximo de la temperatura para el estudio II será inferior en el estudio III (dadas las hipótesis efectuadas en régimen transitorio).

El conjunto estará formado por: Un total de 368.162 elementos. 368.162 tethraedral elements 51.946 triangular elements 4596 edge elements 170 vertex elements

Calidad del mallado, mejor cuanto más cercanos a la unidad

Cuanto más a la derecha se encuentre la dispersión mayor calidad de la malla




Los resultados: Simulación estacionaria: nos confirma la bondad de la adopción de un disipador de aluminio. Nuestro flujo de entrada se encuentra a una temperatura de 313.15K, el estabilizado de nuestro sistema refleja que la temperatura de equilibrio de la bombona se halla en los 310K. Es decir, incrementamos la temperatura desde los 293K hasta los 310K. Con ello podemos asegurar la aportación del flujo necesario en condiciones nominales. Esto tiene diversas implicaciones añadidas, la primera es un aumento en el caudal máximo que podemos obtener. La segunda, un aumento de la autonomía del sistema para consumos elevados, dado que con el vaciado de la bombona se produce también un fenómeno paralelo de perdida de caudal. La aportación de la convección forzada influye en el rango de aportación de flujo para un nivel de carga determinado (resultados hallados experimentalmente). Por último, se puede realizar un estudio paralelo que nos permita cuantificar el nuevo número de bombonas necesarias para aportar el flujo nominal. En detrimento de la acumulación total, ahora podemos reducir el numero total de bombonas y ajustarlo teniendo en cuenta que el flujo total por bombona también se verá incrementado. Con esto reduciremos el peso y volumen utilizado. Simulación Time Dependant: en el estudio se plantea las condiciones más desfavorables para el sistema. Esto es un arranque en condiciones nominales y para un tiempo relativamente reducido (t=200s). Si bien los datos obtenidos son inferiores al caso estacionario, el objetivo de mantener o incrementar la temperatura la botella MH20 se completa olgadamente. El dato es, si cave, notoriamente mejor si lo comparamos con la misma simulación efectuada en el estudio II. La temperatura para t=200s es de 300ºK, lo que supone un incremento de 5.6ºK respecto al caso en que no se adopta un disipador de aluminio. Paralelamente el gradiente térmico que experimenta la bombona es significativamente mayor en el que incorpora el disipador ΔT/s=0.035K/s mientras ΔT/s=0.01K/s

Grafica 3D de la temperatura [K] En la primera podemos apreciar la distribución de la temperatura para 't=200s' en isosuperficies. Vemos el gradiente térmico alrededor desde el fondo de la bombona al cuello, así como su estela.

Grafica 3D de la velocidad [m/s] Grafica 3D, voritcidad [1/s] Validamos las hipótesis experimentales a partir de las graficas de vorticidad y velocidad. Ausentamos esta vez la gràfica de Reynolds aunque se cumple Re<2·10^3. Nuestra hipótesis de partida pues es cierta. La simulación puede tenerse en cuenta.

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Diseño Final

Una vez completadas todas las fases de experimentación previas: Caracterización de la Alimentación del Segway. Adquisición de Datos. Pruebas Consumo Segway RMP-200 Prediseño del sistema de alimentación. Experimentación del Prototipo en el laboratirio. Implementación del Prototipo de Alimentación. Estudio y diseño del disipador para las bombonas MH-20. {Campos en CURSO} Llegado este momento es necesario precisar que demandas tenemos y como nuestro sistema intentará satisfacerlas. A su vez para garantizar la seguridad y correcto funcionamiento será necesario diseñar el package particular para cada división de nuestro sistema. Los objetivos, resumidos en el Panfleto (figura izquierda), son los siguientes: Dado que no podemos acceder o substituir la electrónica de comunicación entre el Segway y sus baterías, dado el alto coste de ingeniería inversa, procederemos conforme a lo siguiente. Mantendremos el sistema de baterías presente. Introduciremos la alimentación externa vía el cargador provisto en el RMP-200. Esto nos permite aumentar la autonomía del segway ya que está permitido el procedimiento de carga mientras el segway funciona. Esto implica descartar la alimentación directa pero conseguimos mantener el sistema de redundancia ya presente (el sistema esta duplicado y en caso de fallo en una de las baterías el sistema esta preparado para un SHUTDOWN seguro. Si resulta imprescindible la alimentación del sistema de propulsión, un objetivo paralelo de gran importancía suponía la substitución del sistema de baterías del cual se alimentaban los dispositvos, equipos e instrumentación. Entre estos equipos se encuentran diversos Pan&Tilt, sensores Láser, una Pantalla Táctil, diversos Laptop, etc. Con ese objetivo se establecen: Un Inversor de corriente DC-AC. El objetivo primordial es proporcionar un punto de carga para los portátiles o diferentes aplicaciones que requieran de alimentación AC. Un convertidor de corriente DC-DC 24V. Dado que la mayoría de componentes electronicos de los cuales están provistos, requieren de corriente contínua a 24V, se establece un único convertidor con una poténcia nominal de 100Watt. Un convertidor de corriente DC-DC 12V. Si bien este convertidor tiene como misión fundamental alimentar los controladores de la pilas PEM H-300, existe un concepto de sobredimensión sobre los mismos. Esto permite que se pueda disponer de una salida a 12V para pequeños consumos. La potencia final instalada es de 600Watt, aunque el dispositvo esta implementado para adoptar multiples configuraciones para funcionar con una o dos pilas de combustible. A su vez un sistema protector mediante un controlador embedido cRIO con respuesta inteligente ante el comportamiento del sistema (Activación de SCU, parada de convertidor programada,etc). Fijada una autonomia mínima de 1hora y 30 minutos se diseñaba el sistema de acumulación con dicha capacidad. El resultado era una configuración de 40 bombonas MH-20 para una capacidad total de 800ln. El resultado daba una autonomía mínima de 1hora y 40minutos a plena carga y 3horas en configuración estándar. El sistema de acumulación diseñado, presentaba un sistema novedoso de reaprovechamiento energetico. Parte del flujo de calor procedente del sistema de refirgeración de la pila se hacia pasar por un Heat Exchanger. La finalidad de esta configuración era intentar en la medida de lo posible evitar el enfriamiento excesivo de las bombonas. El enfriamiento repercutiria de manera en que se podria ver limitado el caudal disponible.Recordemos que el caudal disponible para las bombonas MH-20 es proporcional a la Presión de carga y la Temperatura a la que se encuentran las mismas. Este apartado ya ha sido abordado en el estudio de Flujo. Finalmente era fundamental un sistema de dualidad manual-automatico. Para esto se debía implementar un procedimiento de control mediante LabView en el cRIO para el caso del funcionamiento a nivel automático.

PANFLETO: reunión de características del prototipo de alimentación PANFLETO: 3D del modelo TIBI-DABO con las pilas de combustible y el Conversion BOX incorporadadas

Con el diseño final concebido, los esquemas a implementar tanto Eléctrico como Termodinámico son los siguientes:

H-300 CONTROLLER

El sistema global de reaprovechamiento térmico constaria de los distintos elementos descritos

Caja de Convertidores

Dado que el sistema de alimentación es hasta cierto punto complejo, se hace necesario realizar un diseño compacto y sencillo que agrupe todos los componentes. Además incluiremos en el mismo algunos componentes de control y visualización. Arduino Shield PCB. Interruptores de puesta en marcha y parada de emergencia. Consola de ajustes. Esta provista de un sistema de visualización y selección tanto automática como manual de datos en tiempo real. La caja de convertidores incluirá: Inversor de corriente (DC/AC 230VaC). Convertidor de corriente (DC/DV 12VdC). Convertidor de corriente (DC/DV 24VdC). Batería Li-Ion 12VdC. Batería de Condensadores (0,1F) Placa de control. Salidas AC(230VaC) tipo schuko, DC(12VdC) y DC(24VdC) por carril DIN. 2 pantallas de visualización tensión Pilas de combustible 1 y 2 (Demestres DG-35). 2 pantallas LCD de visualización y control. Pulsadores para el control manual. Interruptores de puesta en marcha y parada de emergencia. LEDs de configuración de estados. Ventiladores para la extracción del calor generado. A todo ello sumaremos la capacidad de conexión de hasta dos pilas. Por lo tanto serán necesarios: 2 conectores de nueve canales. Preparados para soportar potencia. Convertidor de 5VdC para el canal de datos de Temperatura y presión digitales. El procedimiento de control toma medidas, entre otros, de tensión y corriente. Para ello el diseño de la caja de convertidores tiene presente la necesidad de: 4 sensores de corriente LEM HAS50S. Finalmente, la estructura portadora tiene que ser resistente y permitir su anclaje y colocación en el robot autómata. Para ello se utilizara una base de aluminio. Esta base a su vez esta provista de dos perfiles de acero tratado de alta resistencia. En estos perfiles colocaremos dos estructuras de carril DIN. El carril DIN permitirá la colocación rápida y modular. Mediante un bloqueo aseguraremos, a su vez, una sujeción firme. Todo ello con el fin de obtener un sistema versátil y de fácil manipulación. Cabe destacar la presencia de ciertos componentes: Batería Li-Ion 12VdC: su misión es la de realizar el arranque controlado del sistema. Alimenta tanto al circuito de control como a los controladores de las pilas de combustible. Una vez el sistema conecta la primera pila de combustible de forma segura al circuito de potencia se produce la activación del convertidor de corriente de 12V. En ese momento la batería pasa a estar conectada en paralelo siendo su voltaje obligado al OUTPUT del convertidor de continua a 12V. Batería de condensadores: dado el comportamiento particular de las pilas de combustible en modo SCU, necesitaremos un buffer de energía para aquellos momentos en que se produzca la desconexión (Recordemos que la función SCU en las pilas H-300 tanto se puede habilitar como deshabilitar). Para evitar que el fenómeno tenga un repercusión en el sistema añadiremos un conjunto de condensadores cuya profundidad de descarga coincida con los valores máximos de nuestro sistema de potencia. Es decir, dado que la desconexión se produce por un intervalo inferior a los 120ms, y puesto que la potencia máxima por diseño de nuestro sistema es de 600W, traducimos los valores en un valor de capacidad energética almacenada (Faradios). El cálculo es de 0,04F, en sobredimensión, colocándose 0,1F. Para evitar cualquier situación de peligro derivada de una sobrecarga de los condensadores, estos se encuentran en el interior de un armazón de aluminio y espuma no inflamable. Parada programada: El sistema implementado, tiene programada una parada automática. Esta tiene como objetivo no realizar una desconexión total inmediata que dañaria, en el uso prolongado, a la pilas de combustible. Las propias pilas en su controlador incorporan una estrategia que consiste en no desconectarse del sistema hasta que estas se encuentran a una determinada temperatura de consigna. Hay diversas operativas en este punto, pero la utilizada consiste en una desconexión controlada en las que una vez desconectadas del sistema de potencia autoconsumen hasta encontrarse a la temperatura de consigna. Esto sucede entorno de los 20 segundos después de la desconexión del sistema de potencia (este valor es fijado arbitrariamente después de analizar su variación en función de la carga solicitada justo antes de la solicitud de parada). Parada de emergencia: es una desconexión total e inmediata de todos los componentes. Solo puede realizarse manualmente dado que implica la suposición de un peligro no detectado mediante el controlador programado y tiene afectaciones directas sobre la vida de los componentes. LEDs: utilizamos este tipo de señalización luminosa para indicar tres estados básicos del sistema: Pila de combustible 1/2 operativa (LED 1/2 verde activado), Pila de combustible 1/2 apagada (LED 1/2 rojo activado), sistema de acumulación con autonomía suficiente (LED 3 verde activado), sistema de acumulación con autonomía insuficiente (LED 3 rojo activado).

Modulos FC-H300

El montaje de las pilas constituye uno de los retos fundamentales del proyecto. Nos encontramos ante la necesidad de cumplir numeroso criterios: El sistema debe quedar fijado de manera solida. Dado que se trata de una aplicación móvil estará sometido a vibraciones, aceleraciones e incluso impactos. Como consecuencia del apartado anterior; los módulos deberán estar provistos de un sistema de absorción de todos los fenómenos anteriormente descritos. Este armazón a su vez será ligero y de dimensiones compactas.

Primera versión del módulo FCH-300: La estructura del colector esta prevista como base fundamental

Los módulos estarán constituidos por: 1. Una pila Horizon 300 2. El controlador de la pila Horizon 300 3. Un colector de gases 4. Las bombonas MH-20 en 4 grupos de 6, configurando un total de 24. 5. Los respectivos disipadores para cada una de las bombonas. 6. Los conectores y vías de hidrógeno. 7. Los manifolds, formando 4 grupos con 6 bombonas para cada uno. 8. Un manómetro de alta presión, con resolución hasta 60bar. 9. Un manómetro de precisión, con resolución de 1bar.

10. Un regulador de presión con entrada hasta 200bar. y salida regulada de 0,5bar. 11. La válvula de seguridad de la pila H-300 12. La válvula de purga de la pila H-300 13. Una válvula de accionamiento manual para el proceso de carga de las bombonas. 14. Un sensor de presión digital, con resolución hasta 2,5bar. 15. Sendos sensores de temperatura (Termpores). 16. Hasta dos conectores de potencia y datos. 17. Los respectivos anclajes destinados a la sujeción del módulo.

Primera versión del módulo FCH-300: La estructura del colector esta prevista como base fundamental

La columna vertebral la forma el colector, sobre el se articulan la mayor parte de los componentes; si bien cabe destacar que en el diseño se pretende que los esfuerzos principales se canalizen hacie el armazón. Como hemos comentado, debemos incorporar en un solo modulo una gran variedad de equipos, piezas y materiales. Estos deben estar obligatoriamente fijados a la estructura, dado que el diseño objetivo es para una aplicación móvil. El problema será encontrar la ubicación idónia, teniendo en cuenta criterios de accesibilidad y visualización así como asegurando el más importante, la seguridad. A su vez la colocación de ciertos componentes obliga a la recolocación de otros por el orden jerarquico que implican (por ejemplo las valvulas de seguridad y purga se encontrarán imperativamente junta al lado derecho de la pila de combustible). No nos olvidaremos, tampoco, de la función por la cual es concebido el colector: la canalización del calor producido por la pila hacia las bombonas MH-20. Por este motivo nos encontraremos en un bucle de diseño. Realizaremos prototipos que permitan una correcta canalización (determinada por simulación CFD y con base a los estudios ya realizados) y que ha su vez no rebasen las cotas y dimensiones prefijadas por el diseño global**. Este proceso, harto complejo, requirio la modelización tridimensional de todos los componentes. Así pues las herramientas CAD tomaron un papel fundamental en el ahorro de tiempo y material. Reduciremos el proceso al porque de las decisiones tomadas y por supuesto dejando la posibilidad que existan mejores soluciones peró si garantizando que la misma satisface ampliamente los requerimientos descritos. La pilas de combustible PEM utilizadas no requieren de un compresor que proporcione el flujo de aire, pero si es necesario que la zona frontal mantenga un buen contacto con el aire. Por este motivo la pila ocupa parte de la zona frontal y sus rejillas de alimentación de aire se encuentran libres para asegurar el buen contacto y flujo. Se realiza un alojamiento especifico y se dota de ocho puntos de anclaje con perfiles de aluminio. Cabe destacar la ausencia en la concepción o diseño de las pilas, de puntos que faciliten su fijación. La parte posterior del alojamiento permite la salida del flujo de calor realizado por los tres ventiladores de la pila. La base del colector con la pila se encuentra fijada. Estas cotas y dimensiones globales vienen dadas tanto por la ubicación de destino en el segway RMP-200, como por la relación bidireccional con la disposición del sistema de acumulación. Ambos, colector y sistema de acumulación son modificables en esta fase.

Sistema de Control

Funciones del Sistema de Control El sistema de control permitirá controlar las siguientes funciones: Encender y Apagar las FCELL (automática y manualmente). Activar y Desactivar la SCU (automática y manualmente). Conectar y Desconectar los DC/DC y DC/AC. y mostrará los siguientes datos: Estado de Carga de las bombonas. V, I, P de los diferentes componentes. Tensiones de lectura en el PCB de Control Las divisiones que se harán a las tensiones de lectura del PCB serán: FC1= 1/15 FC2= 1/15 VFCT = 1/15 V12= 1/3 V24= 1/5 Por lo tanto, teniendo en cuenta que los potenciometros en los divisores serán de 20K, tenemos las siguientes R1 y R2: FC1: R1=270K , R2=20K FC2: R1=270K , R2=20K VFCT: R1=270K , R2=20K V12=: R1=30K , R2=20K V24=: R1=70K , R2=20K

Calculo de la Autonomía

Queremos hallar un modelo que nos permita relacionar el consumo de potencia actual con la autonomía que disponemos. Este problema viene derivado de la imposibilidad de incorporar un sensor de estado de carga en nuestras bombonas MH-20. El punto principal es que no se encuentra en el mercado tal sensor. El estado de carga de una bombona MH es hasta cierto punto particular ya que no respeta la ley de los gases ideales PV=nRT. Esto es debido a que el principio de almacenamiento es distinto al almacenamiento de los gases. Tampoco el sistema se halla en un estado liquido, por lo cual tampoco podemos utilizar un nivel. La tecnología metal hydride es un tipo de acumulación sólida cuya cantidad almacenada requiere conceptos distintos.

Fuente: Hydrogen Storage Systems for Automotive Application

Metal Hydride: los hidruros metálicos tienen la capacidad de almacenar y liberar hidrógeno a bajas presiones y temperaturas. El rango optimo de utilización de una PEM para aplicaciones móviles oscila entre 1-10atm i 293-400K según el tipo utilizado. Como ya hemos comentado en la descripción básica de nuestro sistema de acumulación, un factor importante para la liberación del hidrógeno almacenado es la aportación de calor. En nuestro caso este calor provendrá del calor de desecho de la pila H-300. El beneficio de la tecnología de hidruros metálicos reviste en que para un mismo volumen somos capaces de almacenar la misma cantidad de producto pero sin la necesidad de altas presiones; necesarias para almacenarlo en estado liquido o gaseoso. Por contra, dado que el material donde se alojan las moléculas de hidrógeno suele tener una alta densidad, la relación entre la masa de hidrógeno almacenada y la masa del contenedor es elevada. Esto resta competitividad en aplicaciones móviles. La absorción y liberación de las moléculas se produce en base a la siguiente reacción bidireccional: M + X / 2H2 = MHx + HEAT Donde 'M' es el metal, 'MH' es el hidruro metálico. La formación del hidruro metálico es exotérmica, mientras que la descomposición es endotérmica.

La presión aparente no es representativa del estado de carga, solo nos permite certificar que las bombonas o bien se encuentran totalmente descargadas o como índice de seguridad para evitar sobrepresiones cuando las bombonas se encuentran totalmente cargadas. Comentaremos que las bombonas MH si manifiestan un comportamiento PV=nRT en el primer rango de descarga (20-2.5bar), esto solo constituye una pequeña parte del almacenamiento real de la bombona. Es de vital importancia conocer el estado de las bombonas una vez alcanzados los 2.5bar. Intentaremos hallar un modelo experimental que nos lo describa. Dadas las características de nuestro sistema de propulsión es básico alcanazar a conocer la autonomía restante y en caso de emergencia actuar al respecto. El primer paso es analizar de que manera podemos llegar a modelizar nuestro sistema, las variables que disponemos en nuestro sistema y posible relación entre dichas variables y la autonomía final. En nuestro sistema disponemos de las siguientes variables: Potencia consumida (W), Temperatura de nuestra bombona MH-20 (K), Pressión del flujo de entrada (Pa), Voltaje (V) e Intensidad (A). Directamente ninguna de las variables aporta información precisa del estado de carga en el que se encuentra. Si observamos el comportamiento experimental concluimos que el sistema debe proporcionar una presión relativa de 500Pa. Acotamos este valor por cuestiones internas de configuración de nuestra pila de combustible. Un factor que debemos tener en cuenta es que el sistema en función de la potencia, la temperatura y el estado de carga de la bombona puede no aportar el flujo necesario para mantener los 500Pa. La pila sin embargo puede funcionar correctamente hasta presiones no inferiores a los 150Pa. Es necesaria cierta presión para poder realizar correctamente la purga interna de la pila. De lo contrario podriamos producir una inundación interna al no poder expulsar correctamente el agua generada. El factor presión-temperatura-Potencia presumiblemente puede ser clave para la interpretación de un modelo que nos descriva nuestra función objetivo: Time Remaining. En mayor profundidad concluimos que el tiempo de recuperación de la presión es función de la Temperatura, Potencia consumida y Nivel de carga de nuestro sistema=Modelo. La formulación de nuestro modelo se debe implementar mediante un estudio experimental que nos permita verificar la hipotesis y cuantificar el margen de contribución de cada una de las variables. A = F(T,P,Trec) A la expresión anterior se puede añadir una relación con la capacidad almacenada y la autonomía restante. Este valor puede ser muy importante para su evaluación una vez la función objetivo haya sido implementada. A = Y ó Y = T(T,P,Trec) El diseño experimental (DoE) se estructurará según el registro de las variabales: Relizaremos un barrido fijando Potencia(W) y Temperatura(T) Pressure: presión en el conducto de entrada de la Pila de combustible (Pa) Las variables serán T_rec: Tiempo de recuperación (s) T_study: Tiempo de desarrollo del experimento (s) V_out: Volumen extraido (ln) Descriviremos 3 rangos para los parámetros fijados (Potencia-Temperatura): La potencia se estructurará en 3 intervalos [100-200-300][W] La temperatura a su vez en otros 3: [293-298-303][K] El experimento se finalizará cuando la presión en el conducto de entrada de la FC sea inferior a los 150Pa. En este punto tendremos registrados los distintos valores. T_study implicará la autonomía total del sistema bajo las condiciones de presión y temperatura prefijadas. V_out nos permitirá conocer el volumen total que se ha podido extraer bajo las condiciones ya comentadas. T_rec se se obtiene de caluclar el tiempo que el sistema que transcurre desde el momento que en que se realiza la purga y la presión se reduce a 0Pa hasta que alcanzamos el valor consigna que puede ser 0,5Pa u otro implementado por el usuario. Para ello se utilizará un sensor digital de presión, cuya resolución es de 0,1Pa y el tiempo de respuesta es de 1ms. Especificaciones que cumplen holgadamente los requerimientos para el cálculo de T_rec. De esta manera tendremos 3x3 estudios que configurarán un mapa 4Dimensional. Donde la autonomía y la capacidad restante los obtendremos al realizar el tiempo inverso sobre T_study y V_out. De manera que la autonomía y capacidad máxima se hallarán, logicamente, para T_study=0 y V_out=0.

Analisis de los resultados experimentales: con la ayuda del software Minitab15 podemos hallar y cuantificar las dependencias. Lo podemos realizar mediante los distintos tipos de estudios multivariables y que analizaremos teniendo en cuenta distintos parámetros como la R^2 o los residuos. Aplicaremos transformaciones a las distintas variables para observar si con ello aumenta su coeficiente de representación. Habitualmente este tipo de transformaciones son logaritmos o cuadrados de los valores obtenidos. Además podemos aplicar relaciones directas entre variables, como producto entre dos o tres variables. Estos recursos suelen dar mayor calidad, contenido y explican en mejor grado la función objetivo.

Minitab 15

Best Subsets study Residuos del análisis experimental

Experimentación en el vehiculo automata

100 WATT PEM FUEL CELL SYSTEM V.1

Arovechando la feria de muestras de la facultad de Matemáticas, se propuso realizar una DEMO de un sistema de generación por pila de combustible. Bajo la base de un modelo sencillo y visual se realizo un prediseño, en el cual debían constar los elementos de generación básicos; así como una carga que alimentar. Disponíamos del siguiente material: FUENTE DE GENERACIÓN: 1 FUEL CELL 100 WATT Elementos básicos Adicionales de la PILA: 1X FUEL CELL CONTROLLER 1X PRESSURE MANOMETER 1X PRESSURE REGULATOR 1X GENERAL VALVE 1X VALVE SUPPLY 1X PURGUE VALVE ALMACÉN DE HIDRÓGENO 2 Bombonas MH-225 A todo esto debíamos añadir los conectores específicos para el canal de hidrógeno. En la bombonas un Quick- Connector provisto de ShuttOff. Codos y tubos ya eran presentes en el Laboratorio.	Presentación de la DEMO, junto a la misma Attila P. Hussar.
Montaje bombonas MH-225 Quick connector para MH-225	Demo H-100 presentacion MJMeeting 2010
Valvula de purga modelo H-100 Valvula de seguridad modelo H-100

Dado las características generales de nuestro sistema de generación, se debía incorporar ahora unos consumos que permitieran de manera didáctica observar el comportamiento de la Pila de combustible. Como el rango aproximado de potencia era de 100 Watts y una tensión de salida que oscilaba ente los 11-16V en continua, se propuso utilizar un sistema de iluminación, además de elementos móviles en forma de ventiladores. Finalmente se requería poder visualizar los parámetros básicos de consumo. Se incorporaron un voltímetro y un amperímetro analógicos. La lista de componentes final: Elementos de Medición: 1X AMPERIMETER 1X VOLTIMETER Elementos Dinámicos: 1X 10 WATTS FAN 2X 4 WATTS FAN Elementos de Iluminación: 4X 20 WATTS HALOGEN LIGHTS Una vez reunido todo el material y utilizando como base y soporte una placa de policarbonato, se realizo la instalación de todos los elementos. En la DEMO era importante mostrar los distintos flujos presentes, de esta manera se opto por dibujar los canales de Almacenamiento-Generación y Generación-Consumo.

100 WATT PEM FUEL CELL SYSTEM V.2

La consecuión de la primera DEMO para una pila H-100 nos permitió ampliar los conocimientos acerca del comportamiento de la pila en situaciones dinámicas. Detallaremos algunos de los aspectos mas relevantes a continuación: A diferencia de el modelo H-300, la pila H-100 no dispone de un interruptor que deshabilite la función Short Circuit (SCU). Esta dinámica de control sobre la pila confiere un mejor rendimiento a costa de la durabilidad final y la desconexión cíclica respecto de la carga. Diremos que este procedimiento consiste en la presencia de un interruptor que cada 10 segundos realiza un cortocircuito interno de la pila a la vez que la aísla de las cargas exteriores. Este cortocircuito interno consume de manera rápida todo el hidrógeno presente con el objetivo de formar un exceso agua y así humedecer la membrana de intercambio protónico. Existe una relación entre el nivel de humedad de la membrana y el rendimiento, el SCU busca pues mantener un nivel de humedad elevado a costa de provocar un corriente muy elevado en el seno de la pila. Los efectos del SCU en la vida de la pila no están específicamente cuantificados pero los nuevos modelos ya incorporan un interruptor de deshabilitación, lo cual demuestro que no se trata de un efecto baladí para la vida útil de la misma. Otro fenómeno experimentado en la DEMO H-100, es el producido en las bombonas MH-225. Tras un largo periodo de funcionamiento de la pila a potencias elevadas, se produce una restricción en el caudal disponible. Este echo ya documentado, es debido a que el proceso endotérmico en las bombonas de hidruros metálicos requiere de un gradiente térmico. Este gradiente de conducción puede conducir a una situación no reversible en la cual la temperatura de la bombona disminuye para buscar el equilibrio termodinámico. Este descenso conlleva el efecto embudo y en consecuencia el flujo disponible disminuye. Por los distintos motivos anteriormente especificados la nueva versión adoptada en la pila H-100 incorpora: Se incorpora un sistema de control remoto via Bluetooth. Este control lleva implementado distintos registros con el fin de crear un archivo de datos. Los archivos del registro van desde las horas de utilización total, el volumen total de hidrógeno total consumido, el tiempo parcial de utilización, el volumen parcial utilizado, la autonomía prevista, energía total producida, potencia instantánea producida. Dado la problemática con las restricciones en el flujo se rediseña por completa el sistema de acumulación. Se realiza un conexión en cruce. Con este nuevo sistema tenemos un doble sistema de acumulación, configurado por el antiguo sistema provisto por dos bombonas MH-225 y un nuevo sistema mejor dimensionado provisto de 7 bombonas MH-20. El sistema formado por las siete bombonas en paralelo es más acorde con las especificaciones de la pila H-100. El sistema esta configurado de tal manera que permite el uso individual o dual de ambos sistemas de acumulación sin la necesidad de proveer al sistema de nuevas válvulas de control o reguladores de presión específicos. Para realizar la cobertura del flujo de hidrógeno del nuevo sistema de acumulación se aprovecha el residuo de calor generado por la propia pila. Esto se realiza gracias a la incorporación de un colector de gases. Gracias a las herramientas de rapid prototyping se construye una canalización aislada que enfoca el flujo calor a través de las bombonas MH-20. A su vez ,para mejorar la eficiencia de dicho colector, se construye un disipador especifico para el encapsulado de las bombonas. El disipador fabricado en aluminio tiene como objetivo aumentar la superficie en contacto con los gases que provienen de la pila. Por este motivo el disipador, en cuyo interior se encuentran embutidas las bombonas MH-20, esta provisto de numerosas aberturas simétricamente distribuidas.

Bibliografía

Downloads

Información Segway

Segway Robotic Mobility Platform(RMP)Interface Guide Media:Interface_Guide_for_Segway_RMP.pdf

Guía del usuario Segway RMP Media:RMP_User_Guide_2.pdf

Información Pilas de Combustible

Catalogo UDOMI Media:Udomi_Product_Catalog.pdf

PILA H-300 Media:H300.pdf

PILA H-300-01 Media:H-300-1.pdf

PILA H-300-02 Media:H-300-2.pdf

PILA H-300-03 Media:H-300-3.pdf

FAN INFORMATION Media:FUEL CELL FAN ESPECS.pdf

Información Pilas de Combustible vs Baterías

Comparison of FC system with Li-ion and NiMH Batteries