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Entorno de monitorización y control para una pila de combustible

Titulación: Enginyeria Tècnica Industrial en Electrònica Industrial

AUTOR: Xavier Gómez Medina

DIRECTOR: Hugo Valderrama Blavi

FECHA: Junio 2005

Entorno de Monitorización y Control para una Pila de Combustible

AUTOR: Xavier Gómez Medina

DIRECTOR: Hugo Valderrama Blavi

FECHA: Junio 2005

Entorno de monitorización y control para una pila de combustible Índice general

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1.- Índice general


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Índice general 1.- Índice general 1.1 – Índice general 2 2.- Memoria descriptiva

2.1 – Antecedentes 9 2.2 - Objetivo del proyecto 9 2.3 – Requisitos del diseño 9 2.4 - Pilas de combustible 10 2.4.1 - Descripción del funcionamiento 10

2.4.2 - Tipos de pilas de combustible 12 2.4.2.1 - Membrana polimérica (PEM) 13

2.4.2.2 - Ácido fosfórico (PAFC) 14 2.4.2.3 - Conversión directa de metanol (DMFC) 15 2.4.2.4 - Alcalina (AFC) 15 2.4.2.5 - Carbonato fundido (MFCF) 16 2.4.2.6 - Óxido sólido (SOFC) 17

2.5 - Descripción del sistema 18 2.5.1 – Introducción 18 2.5.2 – Descripción de la planta 19 2.5.2.1 – Pila de combustible 20 2.5.2.2 – Válvula proporcional 20 2.5.2.3 – Sensor de presión 21 2.5.2.4 – Sensor de caudal 21 2.5.3 – Interfase de monitorización 22 2.5.3.1 – Frontal interfase de monitorización 22 2.5.3.2 – Trasera interfase de monitorización 23 2.5.3.3 – Interior interfase de monitorización 24 2.5.4 - Fuente de alimentación 24 2.5.4.1 – Fuente de alimentación de ±5 V 25

2.5.4.2 – Fuente de alimentación de 24 V 26 2.5.4.3 – Fuente de alimentación de 15 V 26 2.5.5 - Adquisición de datos 27 2.5.5.1 – Adquisición presión de hidrógeno 27 2.5.5.2 – Adquisición caudal hidrógeno 28

2.5.5.3 – Adquisición corriente pila de combustible 28 2.5.5.4 – Adquisición tensión pila de combustible 29 2.5.5.5 – Elevador de tensión 29

2.5.6 – Microcontrolador 30 2.5.6.1 – Microcontrolador 30

2.5.6.2 – Adquisición tensión y corriente convertidor 31 2.5.6.3 – Convertidor D/A 32

2.5.7 - Convertidor DC/DC 32 2.5.7.1 – Convertidor boost 33 2.5.7.2 – Driver 34


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3.- Memoria de cálculo

3.1- Diseño de las fuentes de alimentación 37 3.1.1 – Cálculo del consumo del sistema 37 3.1.2 – Fuente de alimentación de 5 V 38 3.1.2.1 – Cálculo de la bobina 38 3.1.2.2 – Cálculo del condensador de entrada 38 3.1.2.3 – Cálculo del condensador de salida 38 3.1.2.4 – Elección del diodo 39 3.1.2.5 – Cálculo del disipador 39 3.1.3 – Fuente de alimentación de 24 V 39 3.1.3.1 – Cálculo de la bobina 40 3.1.3.2 – Cálculo del condensador de entrada 40 3.1.3.3 – Cálculo del condensador de salida 40 3.1.3.4 – Elección del diodo 40 3.1.3.5 - Cálculo del disipador 41 3.1.3.6 – Otros cálculos 41 3.2- Diseño del circuito de adquisición de datos 42 3.2.1 – Adquisición tensión pila de combustible 42 3.2.2 – Adquisición corriente pila de combustible 42 3.2.3 – Adquisición de la presión de hidrógeno 43 3.2.4 – Adquisición del caudal de hidrógeno 44 3.2.5 – Elevador de tensión control válvula 45 3.3- Diseño del circuito del microcontrolador 46 3.3.1 – Adquisición tensión y corriente convertidor DC/DC 46 3.3.2 – Convertidor D/A 47 3.3.3 – Programa 47 3.3.3.1 – Diagrama de flujo 48 3.3.3.2 – Código del programa 49 3.4- Diseño del convertidor DC/DC 53 3.4.1 – Cálculo bobina 53 3.4.2 – Cálculo condensador de salida 54 3.4.3 – Elección del MOSFET 55 3.4.4 – Elección del diodo 55

3.4.5 – Cálculo disipadores 55 3.4.6 – Driver 56 3.5 – Lista de materiales 56 4.- Resultados experimentales 4.1 – Experimentos con la pila de combustible 61 4.1.1 – Primer ensayo 61 4.1.2 – Pruebas con la interfase de monitorización 64 4.1.3 – Obtención de resultados 66

4.2 – Conclusiones 71 4.3 – Aspecto del prototipo 72


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5.- Planos

5.1- Fuentes de alimentación 79 5.1.1-Esquema 79 5.1.2-Circuito impreso 80

5.2- Circuito adquisición de datos 81 5.2.1-Esquema 81 5.2.2-Circuito impreso 82

5.3- Circuito del microcontrolador 83 5.3.1-Esquema 83 5.3.2-Circuito impreso 84

5.4- Convertidor DC/DC 85 5.5.1-Esquema 85 5.5.2-Circuito impreso 86

5.5 – Serigrafía caja de monitorización 87 5.5.1 – Serigrafía frontal caja de monitorización 87 5.5.2 – Serigrafía trasera caja de monitorización 88 6.- Presupuesto

6.1- Precios simples 92 6.1.1- Capitulo A: Diseño 92 6.1.2- Capitulo B: Montaje y puesta en marcha 92 6.1.3- Capitulo C: Material 92

6.2- Amidamientos 94 6.2.1- Capitulo A: Diseño 94 6.2.2- Capitulo B: Montaje y puesta en marcha 94 6.2.3- Capitulo C: Material 94

6.3- Aplicación de precios 96 6.3.1- Capitulo A: Diseño e implementación 96 6.3.2- Capitulo B: Montaje y puesta en marcha 96 6.3.3- Capitulo C: Material 96

6.4- Resumen del presupuesto 99 7.- Pliego de condiciones 7.1 – Disposiciones y abarque del pliego de condiciones 102 7.1.1 – Objetivo del pliego 102 7.1.2 – Descripción del proceso 102 7.2 – Condiciones de los materiales 103 7.2.1 – Especificaciones eléctricas 103 7.2.1.1 – Placas de circuito impreso 103 7.2.1.2 – Interconexión de placas 103 7.2.1.3 – Resistencias 103 7.2.1.4 – Condensadores 104 7.2.1.5 – Inductores 105 7.2.1.6 – Circuitos integrados y semiconductores 105 7.2.1.7 – Reglamento electrotécnico de baja tensión 105 7.2.2 – Especificaciones mecánicas 106


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7.3 – Condiciones de ejecución del proyecto 106 7.3.1 – Elección y compra de materiales 106 7.3.2 – Construcción del inductor 106 7.3.3 – Soldadura de los componentes 106 7.4 – Condiciones facultativas 107 7.5 – Arranque y manejo de la pila de combustible 108 8.- Anexos

8.1 – Bibliografía 112 8.2 – Webs utilizadas 112 8.3 – Manual de la pila de combustible 113 8.4 – Datasheets 131

Tarragona, 15 de Junio de 2005 El Ingeniero Técnico Industrial

Firmado, Xavier Gómez Medina

Entorno de monitorización y control para una pila de combustible Memoria descriptiva

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2.- Memoria descriptiva


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Índice memoria descriptiva 2.- Memoria descriptiva

2.1 – Antecedentes 9 2.2 - Objetivo del proyecto 9 2.3 – Requisitos del diseño 9 2.4 - Pilas de combustible 10 2.4.1 - Descripción del funcionamiento 10

2.4.2 - Tipos de pilas de combustible 12 2.4.2.1 - Membrana polimérica (PEM) 13

2.4.2.2 - Ácido fosfórico (PAFC) 14 2.4.2.3 - Conversión directa de metanol (DMFC) 15 2.4.2.4 - Alcalina (AFC) 15 2.4.2.5 - Carbonato fundido (MFCF) 16 2.4.2.6 - Óxido sólido (SOFC) 17

2.5 - Descripción del sistema 18 2.5.1 – Introducción 18 2.5.2 – Descripción de la planta 19 2.5.2.1 – Pila de combustible 20 2.5.2.2 – Válvula proporcional 20 2.5.2.3 – Sensor de presión 21 2.5.2.4 – Sensor de caudal 21 2.5.3 – Interfase de monitorización 22 2.5.3.1 – Frontal interfase de monitorización 22 2.5.3.2 – Trasera interfase de monitorización 23 2.5.3.3 – Interior interfase de monitorización 24 2.5.4 - Fuente de alimentación 24 2.5.4.1 – Fuente de alimentación de ±5 V 25

2.5.4.2 – Fuente de alimentación de 24 V 26 2.5.4.3 – Fuente de alimentación de 15 V 26 2.5.5 - Adquisición de datos 27 2.5.5.1 – Adquisición presión de hidrógeno 27 2.5.5.2 – Adquisición caudal hidrógeno 28

2.5.5.3 – Adquisición corriente pila de combustible 28 2.5.5.4 – Adquisición tensión pila de combustible 29 2.5.5.5 – Elevador de tensión 29

2.5.6 – Microcontrolador 30 2.5.6.1 – Microcontrolador 30

2.5.6.2 – Adquisición tensión y corriente convertidor 31 2.5.6.3 – Convertidor D/A 32

2.5.7 - Convertidor DC/DC 32 2.5.7.1 – Convertidor boost 33 2.5.7.2 – Driver 34


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2.1 - Antecedentes Las pilas de combustible se conocen desde mediados del siglo pasado, aunque su uso desde entonces ha sido muy limitado, básicamente por problemas tecnológicos y de coste económico. En el último tercio del siglo XX se usaron en el programa Apollo de la agencia espacial americana, la NASA. Actualmente, en la mayoría de las aplicaciones para pilas de combustible, dada la lentitud dinámica de las mismas, suele existir una batería o super-capacitor que actúe de filtro de las variaciones rápidas en el consumo de las cargas del sistema de alimentación basado en dichas pilas de combustible. Las pilas trabajan pues, en un nivel de generación de energía eléctrica constante o quasi-constante.

Uno de los objetivos de este proyecto consiste en tratar de prescindir de esas baterías y hacer que la pila de combustible entregue a la salida la potencia que se necesite en cada momento. Para conseguirlo, deberemos intentar controlar el caudal de combustible, en este caso, hidrógeno. 2.2 - Objetivo del proyecto

El objetivo principal del proyecto es controlar el caudal de hidrógeno que alimenta la pila en función de las necesidades energéticas de la salida. También es importante obtener datos sobre el funcionamiento de las pilas de combustible y los posibles problemas que puedan tener. Este es el primer proyecto sobre pilas de combustible de hidrógeno en esta universidad y no tenemos datos de referencia ni modelo de la pila que estamos utilizando, por lo tanto, al principio lo importante es conseguir ver como funciona el sistema e intentar controlarlo. Para hacer este control se utilizará un microcontrolador que controlará el caudal de hidrógeno y el ciclo de trabajo de un convertidor elevador que se colocará a la salida de la pila para elevar la tensión de 12 V a 42 V. Otro de los objetivos es crear un entorno de trabajo en el se pueda visualizar la tensión y la corriente de salida de la pila de combustible, así como la presión y el caudal de hidrógeno. También se ha decidido incluir en este entorno las fuentes de alimentación necesarias para alimentar los siguientes subsistemas: el circuito de control, el control box de la pila de combustible, los sensores de presión y caudal, la válvula proporcional y los posible circuitos que se fuesen añadiendo al sistema, por lo tanto hay que sobredimensionar estas fuentes. Este entorno, que mayoritariamente se encuentra en una caja metálica, que a partir de ahora se conocerá como “interfase de la pila”, se diseñará para que acompañe siempre a esta pila de combustible y sea útil para la realización de múltiples ensayos, experimentos y otros posibles proyectos. 2.3 – Requisitos del diseño El principal requisito y objetivo de este proyecto es conseguir que la pila de combustible entregue 12 V a la salida sea cual sea la carga que tenga conectada. Hay que conseguir que la tensión sea lo más estable posible e intentar que la pila no se sature ante una gran demanda de potencia.


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Respecto a las fuentes de alimentación debemos tener en cuenta que debemos sobredimensionarlas para poder conectar otros circuitos en un futuro, por lo tanto hay que calcular el consumo de todo el sistema y a partir de hay decidir que potencia queremos dejar disponible y calcular las fuentes de alimentación.

Respecto al convertidor elevador, se quiere que eleve la tensión de los 12 V que

entrega la pila de combustible a 42 V, para poder utilizar la pila en proyectos que utilicen esta tensión, ya que una de las aplicaciones más usuales para las pilas de combustible es el sector de la automoción y la futura tensión de los coches se elevará hasta 42 V. 2.4 - Pilas de combustible 2.4.1 – Descripción del funcionamiento

Las pilas de combustible son sistemas electroquímicos en los que la energía de una reacción química se convierte directamente en electricidad. A diferencia de la pila eléctrica o batería, una pila de combustible no se acaba ni necesita ser recargada; funciona mientras el combustible y el oxidante le sean suministrados. Una pila de combustible consiste en un ánodo en el que se inyecta el combustible (comúnmente hidrógeno) y un cátodo en el que se introduce un oxidante (normalmente aire u oxígeno). Los dos electrodos de una pila de combustible están separados por un electrolito iónico conductor.

Su principio de funcionamiento es inverso al de una electrólisis. Por ejemplo, en

la electrólisis del agua, se separa este compuesto en sus dos componentes, hidrógeno y oxígeno, mientras que en una pila de combustible se obtendría una corriente eléctrica por medio de la reacción entre estos dos gases:

El sistema opera con dos tipos de gases, combustible y oxidante, que pasan a través de las superficies del ánodo y cátodo opuestas al electrolito, respectivamente, y generan energía eléctrica por oxidación electroquímica del combustible, generalmente hidrógeno, y la reducción electroquímica del oxidante, normalmente oxígeno. Se transforma entonces la energía química, almacenada en el enlace H-H de la molécula H2, en energía eléctrica y vapor de agua.

Este nuevo concepto ofrece ventajas sustanciales sobre la tecnología clásica de combustión, no solamente por el aumento de la eficiencia hasta niveles de 40-70%, sino también porque la única emisión producida es vapor de agua. Por ejemplo, los automóviles que utilizan H2 como combustible son un 22% más eficiente que los movidos por gasolina.

Dicho aumento de eficiencia se debe tanto a la mayor riqueza energética del combustible, como al hecho de que la energía se aprovecha directamente, pues no se recorre el ciclo de Carnot, como en otras máquinas y motores térmicos. En este último caso el rendimiento ideal está relacionado con salto térmico dicho ciclo.


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Fig 2.1: Esquema pila de combustible

Las pilas de combustible están constituidas por un conjunto de celdas apiladas, cada una de las cuales posee un ánodo o electrodo negativo y un cátodo o electrodo positivo, separados por un electrolito que facilita la transferencia iónica entre los electrodos. Cada una de las substancias que participan en la reacción es alimentada a un electrodo distinto. Así, el combustible es alimentado de forma continua al ánodo, y el oxidante al cátodo. Allí los reactivos se transforman electroquímicamente, de acuerdo con las siguientes semirreacciones:

Se genera de esta forma una corriente eléctrica entre ambos electrodos que, a

diferencia de lo que ocurre en una pila o batería convencional, no se agota con el tiempo de funcionamiento, sino que se prolonga mientras continúe el suministro de los reactivos.

Figura 2.2 – Efecto del caudal de hidrógeno


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En la figura 2.2 se puede observar el efecto que tiene el caudal de hidrógeno sobre la corriente de salida, se observa que para mantener la misma tensión de salida, si la corriente varia se debe variar el caudal para mantener la tensión regulada. Utilizando este efecto se consigue controlar la tensión de salida de la pila de combustible dependiendo de la corriente que demande la carga.

Figura 2.3 – Efecto de la presión del hidrógeno

En la figura 2.3 se observa que las variaciones de presión hacen variar el punto de trabajo de la pila de combustible pero con menos variaciones que se consiguen con la variación del caudal. 2.4.2- Tipos de pilas de combustible

Las pilas de combustible se clasifican por el tipo de electrolito empleado. Dependiendo del electrolito, se producirán diferentes reacciones químicas en la propia pila, así como diferentes agentes catalíticos, rangos de temperatura, combustible requerido y algunos otros factores. Estas características, a su vez, determinan el tipo de aplicaciones para las que son más apropiadas estas pilas. Actualmente se está investigando en varios tipos de pilas de combustible, con sus ventajas, limitaciones, y posibles aplicaciones. Los tipos de pilas de combustible más utilizados son:

- Membrana polimérica (PEM) - Ácido fosfórico (PAFC) - Conversión directa de metanol (DMFC) - Alcalina (AFC) - Carbonato fundido (MFCF) - Óxido sólido (SOFC)


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A continuación se puede ver una tabla resumen con las principales características de estas pilas de combustible y en los siguientes apartados hay una descripción del funcionamiento de cada tipo de pila.

PEM PAFC DMFC AFC MFCF SOFC

Combustible H2 H2 Metanol +

H2O H2 H2 H2

Oxidante O2 O2 O2 O2 O2+CO2 O2 Emisión H2O H2O H2O H2O H2O H2O

Temperatura 80ºC 150-200ºC 50-100ºC 100-250ºC 650ºC 1000ºC Rendimiento 37-42% 50% 60% 60% 50-60%

Electrolito Polímero sólido

ácido fosfórico

Polímero sólido

Hidróxido de potasio

Sales de carbonato Cerámica

Catalizador Platino Platino Platino Metal Metal Metal

2.4.2.1 - Membrana polimérica (PEM)

Fig 2.4: Pila de combustible PEM

Las pilas de membrana polimérica (PEM), también llamadas pilas de combustible de membrana de intercambio de protones, proporcionan una densidad energética elevada y tienen la ventaja de ser ligeras y tener un tamaño pequeño, si se las compara con otras pilas. Las pilas PEM usan como electrolito un polímero sólido y electrodos porosos de carbono que contienen un catalizador de platino. Necesitan hidrógeno y oxígeno, y no requieren el uso de fluidos corrosivos como otras pilas de combustible. Normalmente usan hidrógeno puro como combustible almacenado en depósitos o convertidores incorporados.

Figura 2.5 – Estructura de una pila de combustible tipo PEM


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Las pilas de membrana de electrolito polímero operan a relativamente bajas temperaturas, (80 ºC). Esto permite que arranquen rápidamente al necesitar menos tiempo de calentamiento. Esto representa una ventaja, ya que supone menor desgaste entre los componentes del sistema, y por tanto aumenta la duración del mismo. Estas pilas operan con un catalizador de platino, lo que encarece mucho el sistema. Además, el catalizador de platino es extremadamente sensible a la contaminación por CO, por lo que es necesario utilizar un reactor adicional para reducir el nivel de CO en el gas combustible. Este problema se agudiza cuando el hidrógeno empleado proviene de un combustible de alcohol o de hidrocarburo. Actualmente, se están estudiando reemplazar estos catalizadores por los de platino/rutenio, que presentan más resistencia a la contaminación por CO.

Las pilas PEM se usan fundamentalmente para aplicaciones en el transporte e

instalaciones estacionarias. Debido a su rapidez para el arranque, baja sensibilidad a la orientación, y su relación favorable entre peso y energía producida, las pilas de combustible PEM son especialmente adecuadas para su uso en vehículos de pasajeros, como por ejemplo coches y autobuses. 2.4.2.2 - Ácido fosfórico (PAFC)

Fig 2.6: Pila de combustible PAFC

La pila de combustible de ácido fosfórico (PAFC) es considerada como la primera generación de pilas de combustible modernas. Es uno de los tipos de pilas de combustible más desarrollados y el más usado en la actualidad.

Este tipo de pila se usa

normalmente en la generación de energía estacionaria, pero también se ha usado en vehículos pesados, como los autobuses urbanos.

Estas pilas utilizan ácido

fosfórico líquido como electrolito y electrodos de carbono poroso que contienen un catalizador de platino.

Las pilas PAFC son menos sensibles a la contaminación del CO que las pilas

PEM. Presentan una eficacia del 85% cuando se utilizan como generadores de energía eléctrica y calórica, pero son menos eficaces cuando generan sólo energía eléctrica (entre el 37 y el 42%). La diferencia en su eficacia con las plantas energéticas de combustión (33 a 35%) es muy pequeña. Las pilas PAFC también producen menos energía que otras pilas a igualdad de peso y volumen. Por este motivo, estas pilas normalmente presentan gran tamaño y peso y son más caras. Análogamente que las PEM, estas pilas necesitan un catalizador de platino, lo que incrementa su coste. Una pila de combustible de ácido fosfórico cuesta normalmente entre 3.500 y 4.000 € por kilovatio.


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2.4.2.3 - Conversión directa de metanol (DMFC)

La mayoría de las pilas de combustible funcionan con hidrógeno, que se puede suministrar directamente en el sistema de la pila, o ser generado dentro de la propia pila convirtiendo combustibles ricos en hidrógeno (como por ejemplo el metanol, etanol y los combustibles de hidrocarburos). Sin embargo, las pilas de combustible de metanol directo (DMFC), funcionan con metanol puro mezclado con vapor de agua y suministrarlo directamente al ánodo de la pila.

Las pilas de combustible de metanol directo, no tienen muchos de los problemas

de almacenamiento que tienen otras pilas, ya que el metanol tiene mayor densidad energética por unidad de volumen que el hidrógeno (aunque menos que la gasolina). El metanol, al ser líquido como la gasolina, es también más fácil de transportar y suministrar al público usando la infraestructura ya existente.

La tecnología de la pila de combustible de metanol directo es relativamente

nueva si se compara con la de otras pilas de combustible que funcionan con hidrógeno, y su investigación y desarrollo va 3 ó 4 años por detrás de las otras pilas de combustible.

2.4.2.4 - Alcalina (AFC)

Fig 2.7: Pila de combustible alcalina

Las pilas de combustible alcalinas (AFC) fueron una de las primeras pilas de combustible en ser desarrolladas, y el primer tipo usado de forma extensiva en el programa espacial de Estados Unidos para producir energía eléctrica y agua a bordo de las naves espaciales. Estas pilas de combustible utilizan una solución de hidróxido de potasio en agua como electrolito y pueden usar una gran variedad de metales no preciosos como catalizadores en el ánodo y el cátodo. Las pilas AFC de altas temperaturas pueden funcionar a temperaturas entre 100 ºC y 250 ºC. No obstante, diseños más modernos de estas pilas funcionan a temperaturas más bajas, entre 23 ºC y 70 ºC aproximadamente.

Las pilas AFC son de alto rendimiento debido a la velocidad a la que tienen

lugar las reacciones que se producen en ellas. También son muy eficientes, alcanzando un 60% rendimiento en aplicaciones espaciales.

Su desventaja reside en su sensibilidad a la contaminación por dióxido de

carbono (CO2). De hecho, incluso una pequeña cantidad de CO2 en el aire puede afectar el funcionamiento de la pila, haciendo necesario purificar tanto el hidrógeno como el


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oxígeno utilizados. Este proceso de purificación incrementa el coste de la pila, y además duran menos debido a la susceptibilidad que presentan a este tipo de contaminación.

En ambientes como el espacio o el fondo del mar, esta desventaja no tiene lugar.

Sin embargo, para competir en mercados más generales, estas pilas de combustible tendrán que hacerse más rentables. Las pilas AFC han demostrado ser suficientemente estables durante más de 8.000 horas de funcionamiento. Para ser viables desde el punto de vista económico en aplicaciones útiles a gran escala, tienen que superar las 40.000 horas. Posiblemente, éste es el obstáculo más significativo para la comercialización de esta tecnología.

2.4.2.5 - Carbonato fundido (MFCF)

Fig 2.8: Pila de carbonato fundido

Las pilas de combustible de carbonato fundido (MCFC) se están desarrollando en la actualidad para plantas de energía de carbón en la producción de electricidad. Las pilas MCFC son pilas de combustible de alta temperatura que utilizan un electrolito compuesto de una mezcla de sales de carbonato fundidas dispersas en una matriz cerámica porosa y químicamente inerte de óxido de litio-aluminio.

Dado que operan a temperaturas

extremadamente altas de entre 600 y 650 ºC, se pueden utilizar en el ánodo y el cátodo metales que no sean nobles como catalizadores, lo que reduce los costes.

Las pilas MCFC son más eficientes y cuestan menos que las pilas de ácido fosfórico. Estas pilas pueden tener un rendimiento de aproximadamente el 60%, considerablemente más alto que las plantas de pilas de ácido fosfórico que sólo obtienen entre un 37 y un 42% de rendimiento. Cuando el calor que se desprende es captado y utilizado, el rendimiento total del combustible puede ser de hasta un 85%.

Al contrario que las pilas alcalinas, de ácido fosfórico y de membrana de electrolito polímero, las pilas MCFC no necesitan un reformador externo para convertir en hidrógeno combustibles de energía más densa. Debido a las altas temperaturas a las que operan, estos combustibles se convierten en hidrógeno dentro de la propia pila de combustible mediante un proceso que se denomina conversión interna, lo que también reduce costes.

Las pilas de carbonato fundido no son propensas a la contaminación por monóxido o dióxido de carbono (pueden incluso usar óxidos de carbono como combustible), permitiendo que se puedan usar en ellas como combustible gases fabricados del carbón. Aunque son más resistentes a las impurezas que otros tipos de pilas, los científicos están buscando formas de hacer la pila MCFC suficientemente


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resistente a las impurezas procedentes del carbón, como pueden ser el sulfuro y las partículas.

La desventaja más importante de la tecnología existente de MCFC es la duración. Las altas temperaturas a las que operan estas pilas y el electrolito corrosivo que se utiliza en ellas, hacen que sus componentes se deterioren, reduciendo la duración de la pila. Los científicos están buscando materiales resistentes a la corrosión para fabricar los componentes, así como diseños que aumenten la duración de la pila sin hacer que disminuya su rendimiento. 2.4.2.6 - Óxido sólido (SOFC)

Fig 2.9: Pila de combustible SOFC

Las pilas de combustible de óxido sólido (SOFC) usan como electrolito un componente de cerámica duro y no poroso.

Al ser el electrolito sólido, las

pilas no se tienen que construir con una configuración laminar, como ocurre con las otras pilas.

Se espera que las pilas SOFC

tengan un rendimiento en la conversión de combustible en electricidad de entre el 50-60%. En aplicaciones cuya finalidad es captar y utilizar el calor que desprende el sistema (cogeneración), el rendimiento total del combustible puede llegar hasta el 80-85%.

Las pilas de óxido sólido operan a temperaturas muy elevadas (alrededor de los 1000 ºC). Las levadas temperaturas hacen que no sea necesario utilizar metales nobles como catalizadores, reduciendo el coste. También permite a la pila SOFC convertir los combustibles internamente, lo que supone la posibilidad de usar diferentes combustibles y reduce el coste asociado que supone añadir un convertidor al sistema.

Estas pilas también son las más resistentes al sulfuro. Además, no se contaminan con monóxido de carbono (CO), que puede incluso ser utilizado como combustible. Esto permite el uso en estas pilas de gases procedentes del carbón.

Las elevadas temperaturas tienen desventajas: su arranque es lento y necesitan abundante protección para evitar que el calor se escape y para proteger al personal que trabaja con ellas, lo que puede ser aceptable para algún tipo de aplicaciones, pero no para el transporte y para algunos aparatos portátiles. Las altas temperaturas afectan también a la duración de los materiales que se utilizan. El desarrollo de materiales a bajo precio y de larga duración a las temperaturas a las que funciona la pila, es la clave del reto tecnológico al que se somete esta tecnología.


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Actualmente se está trabajando en el desarrollo de pilas de combustible SOFC que funcionen en torno a 800 ºC, con mayor duración y menor coste. Las pilas SOFC a temperaturas más bajas producen menos electricidad, y no se han encontrado materiales para estas pilas que funcionen a este rango de temperaturas.

2.5 - Descripción del sistema 2.5.1 - Introducción

Fig 2.10: Esquema del sistema

El sistema consta de dos partes bien diferenciadas, la planta y la electrónica que la controla y la monitoriza. La planta está formada por la pila de combustible, los sensores de caudal y presión, y la válvula proporcional que controla el caudal de hidrógeno. La parte de la electrónica también se puede dividir en diferentes partes, cada una de estas partes será una placa de circuito impreso, para hacer estas divisiones se utilizarán como punto de partida los requisitos del sistema.

Uno de los requisitos es montar un instrumento para obtener la tensión y la corriente de la pila de combustible y el caudal y la presión, en este mismo instrumento se deben incluir las fuentes de alimentación del sistema. Por lo tanto de aquí ya se pueden obtener dos placas a fabricar que irán instaladas dentro de una caja para instrumentos, una de las placas será la que contenga las fuentes de alimentación necesarias para alimentar nuestro sistema, la otra placa que ira instalada en la caja hará

Pila de combustible

O2

H2O

Convertidor DC/DC

Interfase de monitorización y

control

Tensión

Carga

H2

Datos

Sensores y válvula

Botella H2

H2

Microcontrolador

VConvertidor

VPila Caudal y presión

Ciclo trabajo Control Válvula


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de enlace entre la planta (pila de combustible, válvula y sensores) y la placa de control (microcontrolador), también adecuará las señales que provienen de la planta para ser mostradas en los cuatro displays que estarán en el frontal de la caja de monitorización. Otro de los circuitos será el que contenga el microcontrolador, el cual también contendrá los circuitos para la obtención de la tensión y la corriente de salida del convertidor y así también poder utilizarlas como variable del programa de control. El microcontrolador será el encargado de controlar el caudal de hidrógeno para conseguir los 12 V a la salida de la pila de combustible y también controlará el ciclo de trabajo del convertidor DC/DC para obtener los 42 V a la salida del mismo. El último circuito será el convertidor DC/DC que servirá para elevar los 12 V de la pila de combustible a los 42 V que se propone en los requisitos del proyecto. Este circuito se puede dividir en dos partes, el convertidor propiamente dicho y el driver, que es el circuito encargado de elevar la señal PWM que proporciona el microcontrolador a una tensión y corriente suficientes para poder hacer el disparo del MOSFET. 2.5.2 – Descripción de la planta La planta esta formada por la pila de combustible como elemento principal y el sensor de presión sensor de caudal y la válvula proporcional como elemento auxiliares. El combustible que se utiliza en la planta se obtiene de una botella de hidrógeno, esta botella tiene una presión de 200 bar. A la salida de la botella hay un manoreductor para reducir esta presión hasta los 3 psi que se utilizan en el sistema, no hay que olvidar que la presión máxima de trabajo de la pila de combustible es de 3 psi. Del manoreductor el hidrógeno llega al sensor de caudal, el cual nos da el caudal instantáneo de hidrógeno que esta consumiendo la pila de combustible. Después se encuentra la válvula proporcional que controla el caudal de hidrógeno mediante la señal que le llega del microcontrolador. A continuación esta conectado el sensor de presión y la pila de combustible. El sensor de presión esta instalado entre la válvula y la pila de combustible, ya que la válvula introduce una pequeña perdida de presión y es posible que el manoreductor se regule a 3 psi pero a la entrada de la pila de combustible no lleguen mas de 2,5 psi para el máximo caudal, por eso se instala el sensor de presión entre la válvula y la pila de combustible, para asegurar los 3 psi a la entrada de la pila de combustible. Si se observa en la caja de instrumentos que la presión a la entrada de la pila de combustible es menor a los 3 psi se puede aumentar la presión de salida del manoreductor aunque esté por encima de los 3 psi. La pila de combustible incorpora un control box, el cual controla la velocidad de los ventiladores que hay instalados en la parte superior e inferior de la pila de combustible. Estos ventiladores sirven para disipar el calor y para forzar la entrada de oxígeno en la pila. El control box también controla un pequeño solenoide que periódicamente purga la pila de hidrógeno, este solenoide se instala por seguridad, para no exceder la presión de funcionamiento en el interior de la pila.


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2.5.2.1 – Pila de combustible

Fig. 2.11: Pila de combustible PEM

La pila de combustible que está instalada en la universidad es de la marca BCS Fuel Cell, inc. Es un modelo de pila de combustible tipo PEM con 22 celdas y los electrodos tienen un área de 50 cm2, la potencia máxima de salida es de 130 W, tiene una temperatura máxima de funcionamiento de 70 ºC y la presión de funcionamiento es de 0 a 2 psi.

Para obtener más información sobre el funcionamiento de la pila de combustible

referirse al capítulo “Resultados experimentales” de este proyecto o al manual de la pila de combustible incluido en el capítulo “Anexos” de este proyecto. 2.5.2.2 – Válvula proporcional

Fig 2.12: Válvula proporcional

Fig 2.13: Caudal proporcional

La válvula que se ha instalado en la planta es una válvula proporcional de la casa ASCO, pertenece a la serie 202 y tiene la referencia SC.G202A204V.

Esta válvula proporciona un caudal variable

proporcional a la señal de mando que le llega del microcontrolador, como se puede ver en la figura 2.13. La señal de mando debe ser de 0 a 24 V, pero la señal que se obtiene del microcontrolador es de 0 a 5 V, por lo tanto en la placa de adquisición de datos se montará un circuito elevador de tensión para pasar los 5 V a los 24 V necesarios para esta válvula. La válvula escogida puede dar hasta un caudal de 2,9 l/min, pero a la presión que se trabaja el caudal que da es menor, sobre los 2,2 l/min, suficientes para el sistema, ya que la pila de combustible tiene un consumo máximo de 2 l/min. Para obtener más información referirse al manual de incluido en el capítulo “Anexos” de este proyecto.


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2.5.2.3 – Sensor de presión

Fig 2.14: Foto sensor de presión y esquema de conexionado

El sensor de presión que está instalado en la planta está fabricado por STW, su rango de medida va de 0 a 400 mbar, dando una señal de salida de 4 a 20 mA, se pueden utilizar dos tipos de conexión, a dos y a tres hilos, se ha decidido utilizar la conexión a tres hilos, la cual podemos ver en la figura 2.14.

El sensor va alimentado a una tensión de 24 V que proporciona la fuente de alimentación que hay instalada en la caja de monitorización. La señal de 4-20 mA va a la caja de monitorización donde se trata para mostrar el valor de la presión en psi en uno de los displays. Esta señal también se conecta al microcontrolador para que la pueda utilizar como variable de su programa. Para obtener más información referirse al manual incluido en el capítulo “Anexos” de este proyecto. 2.5.2.4 – Sensor de caudal

Fig. 2.15: Sensor de caudal

El sensor de caudal que está instalado en la planta es de la marca Iberfluid Instruments, modelo D-5110.

Este sensor de caudal es

exclusivamente para hidrógeno y tiene un rango de medida de 2 l/min, con una señal de salida de 4-20 mA. Se alimenta a 24 V.


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2.5.3 – Interfase de monitorización La interfase de monitorización tiene varias funciones, las principales son: 1.- Mostrar la tensión y la corriente de salida de la pila de combustible. 2.- Mostrar el caudal y la presión del hidrógeno. 3.- Proporcionar las tensiones de alimentación necesarias para el sistema

4.- Enviar los datos que provienen de la planta al microcontrolador para que haga el control. 5.- Adecuar la tensión de control de la válvula que proporciona el microcontrolador al nivel necesario para alimentar la válvula proporcional.

2.5.3.1 – Frontal interfase de monitorización

Fig. 2.16: Frontal interfase de monitorización En el frontal de la interfase de monitorización se pueden ver 6 funciones diferentes: 1.- Interruptor de encendido. Este interruptor sirve para dar tensión a la caja de monitorización y también a todos los componentes del sistema.

2.- Displays: En ellos se puede ver en tiempo real la tensión y corriente de salida de la pila de combustible y la presión y caudal del hidrógeno. Los rangos que muestran son los siguientes:

- Tensión: 0 a 20 V - Corriente: 0 a 10 A. - Presión: 0 a 5.8 psi - Caudal: 0 a 2 l/min 3.- Tensión pila de combustible: En el frontal se han colocado dos salidas de la tensión de la pila de combustible, en ellas se conectará el convertidor DC/DC u otras aplicaciones.


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4.- Fuentes de alimentación: Uno de los requisitos del diseño era dejar disponible tensiones de alimentación disponibles para otros equipos, en el frontal se ha instalado una salida de 5 V con 10 W y 24 V con 15 W. 5.- Control válvula: Tenemos la posibilidad de controlar el caudal de hidrógeno manualmente mediante el potenciómetro que se ha instalado en el frontal, para hacer el control manual se debe poner el interruptor en la posición manual, si se quiere que el control esté en manos del microcontrolador se pondrá el interruptor en la posición automática. 6.- Salida de datos: Se ha instalado un conector DB9 con las salidas de datos hacia el microcontrolador y las tensiones de alimentación de 5 V y 24 V para alimentar la placa del microcontrolador y la del convertidor DC/DC, las conexiones son las siguientes:

1 - Entrada válvula 3 - +5 V 4 - Masa 5 - +24 V 6 - Señal caudal 7 - Señal presión 8 - Señal corriente pila de combustible 9 - Señal tensión pila de combustible

2.5.3.2 – Trasera interfase de monitorización

Fig. 2.17: Trasera interfase de monitorización

En la parte posterior de la caja de monitorización se encuentran el conector de red con su portafusible y los conectores de la entrada de la tensión de la pila de combustible y el conector DB9 con el que se comunica con la planta, las conexiones de este DB9 son:

1 - Masa 4 - +24 V 6 - Salida señal válvula 7 – Señal sensor presión 8 – Señal sensor caudal


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2.5.3.3 – Interior interfase de monitorización

Fig. 2.18: Interior interfase de monitorización En el interior de la interfase de monitorización se pueden distinguir las dos placas de circuito impreso y el transformador. La interfase de monitorización contiene la placa de las fuentes de alimentación, esta placa se puede ver en la parte inferior izquierda de la figura 2.18, la otra placa incluida es la de adquisición de datos, esta placa se puede ver en la parte central. 2.5.4 - Fuente de alimentación Para alimentar el sistema se necesitan tres tensiones diferentes: ±5 V.– La tensión simétrica se utiliza para alimentar los amplificadores de instrumentación que se encuentran en la placa de adquisición de datos. El circuito del microcontrolador y los displays de la interfase de monitorización utilizan únicamente la tensión de +5 V. +24 V.- Esta tensión se utiliza para alimentar la planta. Los sensores, los ventiladores de la pila de combustible, el control box de la pila de combustible y la válvula proporcional van alimentados a 24 V. +15 V.- Esta tensión se utiliza exclusivamente para producir los impulsos de disparo del transistor MOSFET del convertidor elevador. Las fuentes de 5 V y 24 V forman la placa que se ha denominado “fuente de alimentación”. La fuente de 15 V solo se utiliza en la placa del convertidor por lo tanto se decidió montarla con él, es decir esta fuente está físicamente en la misma placa del convertidor DC/DC. La tensión de -5 V se obtiene mediante una pequeña fuente montada con un regulador lineal instalada en la placa de adquisición de datos.


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2.5.4.1 – Fuente de alimentación de ±5 V

Figura 2.19: Circuito fuente de alimentación 5 V

Como se verá en la memoria de cálculo, para la tensión de 5 V se necesita una corriente de 2 A, por lo tanto desde el principio se desechó la idea de utilizar un regulador lineal de tensión, ya que tienen un rendimiento muy bajo y para las corrientes que podrían llegar a pasar se calentaría en exceso. Se decidió utilizar una fuente conmutada tipo buck. Se buscaron diferentes tipos de reguladores conmutados y otros tipos de circuitos que existen para construir este tipo de fuentes y al final nos decantamos por el LM2576 ya que es un modelo para 3 A y no necesita muchos componentes para funcionar. Para la tensión de 5 V se utiliza el regulador LM2756-5.0, este regulador proporciona una tensión de 5 V a la salida con una tensión de entre 8 y 40 V. Otra ventaja de este tipo de reguladores es la sencillez de diseño y montaje, ya que necesita de muy pocos componentes, comparado con otras soluciones, para su funcionamiento, simplemente necesita un condensador a la entrada y otro a la salida, un diodo y una bobina. Estos componentes están calculados en la memoria de cálculo.

Figura 2.20: Circuito fuente de alimentación -5 V

Para alimentar a los amplificadores de instrumentación de la placa de adquisición de datos se ha utilizado una tensión simétrica. Los amplificadores de instrumentación utilizados son específicos para alimentarse con tensiones asimétricas, pero alimentándolos asimétricamente aparece una pequeña tensión de offset a la salida del amplificador de instrumentación. Para las tensiones adquiridas por el microcontrolador no hay ningún inconveniente, ya que esa tensión de offset siempre


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tiene el mismo valor y mediante el programa se puede corregir. El problema se encuentra en los displays instalados en la interfase de monitorización, estos displays no disponen de ajuste de 0, por lo tanto si alimentamos asimétricamente nos aparece una pequeña lectura en el display habiendo ausencia de señal. Al alimentar simétricamente este problema desaparece. 2.5.4.2 – Fuente de alimentación de 24 V


Con la fuente de alimentación de 24 V nos encontramos con la misma situación

que con la de 5 V, se necesita una elevada corriente de salida para alimentar la planta y además se quiere sobredimensionarla para poder conectar otros circuitos en un futuro, por lo tanto también se ha utilizado una fuente conmutada. Para la tensión de 24 V se utiliza el regulador LM2756-ADJ, este regulador conmutado proporciona en la salida una tensión que se le fija mediante un simple divisor de tensión, este divisor debe bajar la tensión de salida del valor que se necesita hasta los 1.23 V que tiene que haber en la patilla 4 (feedback) del regulador, el regular se encarga de que siempre haya estos 1.23 V en esta patilla y por lo tanto, gracias al divisor de tensión, se tendrá la tensión que se precisa a la salida. El regulador ajustable permite tener una tensión de entre 1.23 V y 37 V a la salida. 2.5.4.2 – Fuente de alimentación de 15 V


La tensión de 15 V solo se utiliza para generar los pulsos que hacen el disparo del transistor MOSFET, por lo tanto no será necesaria mucha potencia. Por ese motivo se decidió utilizar un regulador lineal de tensión, mucho mas barato que los reguladores conmutados y mas fáciles de montar, ya que solo precisan un condensador de filtrado a


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la entrada y otro a la salida. Nos decantamos por un regulador de la familia 78XX, concretamente el 7815 que proporciona en la salida una tensión de 15 V.

El inconveniente de este tipo de reguladores es que disipan una gran cantidad de energía, concretamente, Pdis = (Vin-Vout) · I, en este caso la corriente no es muy elevada y la disipación es mínima, ni siquiera es necesario el uso de un disipador de calor para esta aplicación.

Para filtrar la tensión de entrada se ha utilizado un condensador electrolítico de

1000 µF, para la salida se ha optado por dos condensadores uno de 3.3 µF de poliéster y uno de 100 nF para filtrar las posibles altas frecuencias que se podrían generar en la placa, ya que esta fuente alimenta el driver del convertidor y no olvidemos que funciona a una frecuencia de 50 kHz. 2.5.5 - Adquisición de datos Esta placa se encarga de hacer de enlace entre la planta y el sistema de control, a grandes rasgos tiene cinco funciones diferentes, cuatro de ellas son adecuar las señales que provienen de la planta para ser mostradas por los displays y enviadas al microcontrolador y la última función es elevar la tensión que proporciona el microcontrolador a la que necesita la válvula para funcionar.

Las cuatro señales provenientes de la planta son la tensión y la corriente de salida de la pila de combustible, el caudal y la presión del hidrógeno. 2.5.5.1 – Adquisición tensión pila de combustible

Figura 2.23: Circuito adquisición tensión pila combustible

Para mostrar la tensión de salida la pila de combustible en el display y enviarla

al microcontrolador se utiliza un circuito con dos divisores de tensión. El primer divisor de tensión reduce los 20v máximos que podemos tener a la salida de la pila a los 5 V que podemos conectar a la entrada del microcontrolador.

Con el potenciómetro se reducen estos 5 V a los 200 mV máximos que puede

mostrar el display, de esta forma se consigue que a 20 V en la pila se tengan 200 mV en el display y se muestre una lectura de “20.00”.


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2.5.5.2 – Adquisición corriente pila de combustible

Figura 2.24: Circuito adquisición corriente pila combustible

Para la medida de la corriente de la pila se ha utilizado una resistencia de poco

valor ohmico, concretamente 51 mO, en serie con el circuito de carga que alimenta la pila de combustible. La resistencia se conecta entre la carga y la masa del circuito para que las tensiones en bornes de la resistencia sensora sean menores. Esta resistencia tiene que tener una potencia bastante elevada, ya que la corriente que pasará a través de ella puede llegar a los 10 A. Mediante un amplificador de instrumentación se calcula la diferencia de potencial en los extremos de esta resistencia y sabiendo la diferencia de potencial y el valor ohmico se obtiene una tensión proporcional a la corriente que pasa por ella. La diferencia de potencial en bornes de la resistencia sensora es una tensión de poco valor, en torno a decenas de milivoltios, para elevar esta tensión hasta valores cercanos a los 5 V se le da una ganancia al amplificador de instrumentación. La tensión de salida del amplificador de instrumentación tendrá un valor máximo de 5 V, por lo tanto se puede conectar directamente al microcontrolador. Para mostrar la lectura en el display se utiliza un divisor de tensión para reducir la amplitud de la señal. El display mostrará una lectura de 0 a 10 A que es el rango de corriente que puede suministrar la pila de combustible. 2.5.5.1 – Adquisición presión hidrógeno

Figura 2.25: Circuito adquisición presión de hidrógeno

Para adecuar la señal que proviene del sensor de presión se ha utilizado una resistencia de 250 O para transformar la señal de 4-20 mA en un tensión de 1 a 5 V, esta tensión se conecta a un amplificador de instrumentación, al cual por su entrada negativa se le introduce un voltio para referenciar la señal a 0 V, consiguiendo a la salida una


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tensión de 0 a 4 V, siendo 4v => 400 mbar de presión. La salida del amplificador de instrumentación va directa al microcontrolador. Se hace pasar esta tensión por un divisor de tensión y se conecta al display. El display mostrará una lectura de 0 a 5.80 psi (400 mbar). 2.5.5.2 – Adquisición caudal hidrógeno

Figura 2.26: Circuito adquisición caudal de hidrógeno

Para adecuar la señal que proviene del sensor de presión se ha utilizado una

resistencia de 250 O para transformar la señal de 4-20 mA en un tensión de 1 a 5 V, esta tensión se conecta a un amplificador de instrumentación, al cual por su entrada negativa se le introduce un voltio para referenciar nuestra señal a 0v, consiguiendo a la salida una tensión de 0 a 4 V, siendo 4 V => 2.00 l/min de hidrógeno. La salida del amplificador de instrumentación va directa al microcontrolador. Se hace pasar esta tensión por un divisor de tensión y se conecta al display. El display mostrará una lectura de 0 a 2.00 l/min que es el rango de caudal que consume la pila de combustible. 2.5.5.5 – Elevador de tensión

Figura 2.27: Circuito elevador de tensión

La válvula que hay instalada en la planta para controlar el caudal de hidrógeno necesita una tensión variable entre 0 y 24 V para dar un caudal proporcional a esta tensión. La tensión que se obtiene a la salida del convertidor D/A es de 2.56 V, y se eleva a 5 V con un amplificador no inversor de ganancia 2. En el frontal de la interfase


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de control se ha instalado un potenciómetro para poder variar manualmente el caudal de la válvula La tensión de salida que proporciona este potenciómetro también tiene un rango de 0 a 5 V, por lo tanto se ha introducido en esta placa un circuito para elevar esta tensión hasta los 24 V y obtener la corriente necesaria que necesita la válvula para funcionar.

El funcionamiento de este circuito es muy sencillo, tiene un divisor de tensión que adecua la tensión de salida del circuito para que mediante un amplificador operacional la comparemos con la tensión que proviene del microcontrolador o del potenciómetro. Este amplificador operacional se irá saturando positivamente cuando la tensión de salida sea menor que la deseada. La salida del operacional actúa sobre la base de un transistor BJT de potencia, el cual conducirá cada vez que el operacional se sature positivamente, es decir, cada vez que la tensión de salida sea menor que la deseada. 2.5.6 - Microcontrolador El circuito del microcontrolador es el encargado de realizar el control del caudal de hidrógeno en función de la tensión de salida y también controla el ciclo de trabajo del convertidor DC/DC para tener una tensión de 42 V a la salida del mismo. Para hacer este control utiliza la información que le proporciona la caja de monitorización. Las señales que provienen de la caja de monitorización se pueden introducir directamente al microcontrolador ya que vienen preparadas para que no sobrepasen los 5 V que como máximo puede adquirir el microcontrolador. 2.5.6.1 - Microcontrolador

Figura 2.28: Circuito microcontrolador

El microcontrolador escogido para este sistema ha sido el PIC16F877, es un microcontrolador muy completo, y tiene todo lo necesario para el control de este sistema. En este caso se ha utilizado una velocidad de reloj de 10 MHz, esta velocidad es la necesaria para poder obtener la velocidad de 50 kHz necesaria para el PWM y


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tener margen para poder controlarla. De los periféricos que tiene este microcontrolador se han utilizado los siguientes: - Entradas analógicas: Tiene 8 entradas analógicas, las cuales las convierte a un número de 10bits. Para este sistema se han utilizado 6 de estas entradas analógicas. - Salidas digitales: Se ha utilizado el puerto D de 8 bits para hacer la salida del valor de la abertura de la válvula proporcional, estos 8 bits se conectan externamente a un convertidor D/A para obtener la señal definitiva de control. - Módulo PWM: Tiene dos módulos PWM, para este sistema se ha utilizado uno de ellos, se fijo mediante el programa una frecuencia de trabajo de 50 kHz y dependiendo de la tensión de salida del convertidor se regula el ciclo de trabajo para obtener los 42 V a la salida. -Temporizadores: Este dispositivo dispone de tres temporizadores, en este sistema se utilizan dos de ellos, uno para hacer los temporizadores para controlar los tiempos del programa y el otro para obtener la señal PWM. Se ha utilizado el programa MPLAB IDE v6.50 para la realización del programa de control, su compilación y la grabación en el PIC. El grabador que se ha utilizado es un PICSTART PLUS. Tanto el programa como el programador son de la marca Microchip. Para obtener más información de este dispositivo se han incluido las páginas más importantes de su manual en el capítulo de “Anexos” de este proyecto. 2.5.6.2 – Adquisición tensión y corriente convertidor DC/DC

Figura 2.29: Circuito adquisición tensión y corriente convertidor DC/DC

Para hacer la adquisición de la corriente se ha utilizado una resistencia de bajo valor ohmico, al igual que en el circuito de adquisición de la corriente de salida de la


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pila de combustible, para este caso se ha utilizado la misma resistencia, de 51 mO de valor ohmico. El primer problema que se encuentra es que la tensión de salida del convertidor es de 42 V, y la máxima tensión que se puede conectar al microcontrolador y al amplificador operacional de instrumentación es de 5 V. Por lo tanto se utilizaran dos divisores de tensión idénticos para rebajar las dos tensiones que se obtienen en bornes de la resistencia sensora para obtener estos 5 V como máximo. La tensión diferencial que se obtiene en la resistencia sensora tendrá un valor muy bajo, por lo tanto se debe dar una ganancia al amplificador de instrumentación para obtener una tensión suficiente para que el microcontrolador la pueda leer correctamente. 2.5.6.3 – Convertidor D/A

Figura 2.30: Circuito convertidor D/A

Para obtener la señal de control de la válvula de hidrógeno se deben conectar la señal digital de 8 bits que proporciona el microcontrolador a un convertidor D/A para obtener la señal analógica, concretamente para hacer esta función se ha escogido el circuito AD557, es un convertidor D/A para utilizar con microprocesadores, tiene entradas de control CS y CE, pero para este sistema no se han utilizado ya que solo tenemos un convertidor. Como se puede ver en el esquema, este dispositivo no necesita de circuiteria exterior para su funcionamiento, necesita unas resistencias de carga a la salida, pero ya las incorpora internamente. La única pega de este dispositivo es que el rango de tensiones de salida va de 0 a 2.56 V, por eso a su salida se ha conectado un amplificador no inversor con una ganancia de 2, para obtener una señal final de salida de 0 a 5 V con una señal digital de salida del microcontrolador de 00 a FF. 2.5.7 - Convertidor DC/DC El convertidor DC/DC es el encargado de elevar la tensión de 12 V que proporciona la pila de combustible hasta los 42 V. El convertidor se puede dividir en dos circuitos, el convertidor propiamente dicho y el driver, que es el circuito encargado de elevar la señal PWM que viene del microcontrolador a un nivel suficiente para poder disparar el MOSFET.


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2.5.7.1 – Convertidor boost

Figura 2.31: Circuito convertidor DC/DC boost

Al ser necesario elevar la tensión de la pila de combustible, hace necesario la utilización de un convertidor tipo boost o elevador. Para describir el funcionamiento del circuito se pueden obtener dos circuitos para analizarlos por separado, el primero es cuando el MOSFET está en conducción y el segundo circuito será cuando el MOSFET no esté conduciendo: 0 < t < DT (MOSFET ON)

SL Vdidt L

=

1S

L

Vi I t

L= +

DT < t < T (MOSFET OFF)

O SL V Vdit

dt L−

= −

2O S

L

V Vi I t

L−

= −

Como la tensión media en la bobina es 0, tenemos:

· ( )(1 ) 0S O SV DT V V D T− − − =

11

O

S

VV D

=−

Con la ecuación que se ha obtenido ya se puede calcular el ciclo de trabajo necesario para obtener la tensión de salida que se desee.


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2.5.7.2 – Driver

Figura 2.32: Circuito driver

El circuito driver se utiliza para elevar la señal PWM que se obtiene del microcontrolador a una señal PWM que tenga potencia suficiente para disparar el transistor MOSFET. La primera parte del circuito es un amplificador operacional que compara la tensión del microcontrolador con una tensión fija, cuando la tensión del microcontrolador es superior a la de referencia el amplificador operacional se satura positivamente y si es inferior se satura negativamente. Resumiendo, transforma la señal cuadrada de 5 V de amplitud que da el microcontrolador en una señal con una amplitud de 15 V, tensión necesaria para disparar el MOSFET.

Los dos transistores bipolares que se encuentran a continuación se encargan de elevar la corriente de la señal, ya que la corriente de salida del operacional no seria suficiente para hacer el disparo del MOSFET. Los dos diodos en paralelo con los transistores son para mejorar la dinámica del circuito. La resistencia R28 es para ayudar a descargar la puerta del transistor cuando no conduce y el diodo zener es para proteger la puerta del MOSFET de sobretensiones.



Entorno de monitorización y control para una pila de combustible Memoria de cálculo

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3.- Memoria de cálculo


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Índice memoria de cálculo 3.- Memoria de cálculo

3.1- Diseño de las fuentes de alimentación 37 3.1.1 – Cálculo del consumo del sistema 37 3.1.2 – Fuente de alimentación de 5 V 38 3.1.2.1 – Cálculo de la bobina 38 3.1.2.2 – Cálculo del condensador de entrada 38 3.1.2.3 – Cálculo del condensador de salida 38 3.1.2.4 – Elección del diodo 39 3.1.2.5 – Cálculo del disipador 39 3.1.3 – Fuente de alimentación de 24 V 39 3.1.3.1 – Cálculo de la bobina 40 3.1.3.2 – Cálculo del condensador de entrada 40 3.1.3.3 – Cálculo del condensador de salida 40 3.1.3.4 – Elección del diodo 40 3.1.3.5 - Cálculo del disipador 41 3.1.3.6 – Otros cálculos 41 3.2- Diseño del circuito de adquisición de datos 42 3.2.1 – Adquisición tensión pila de combustible 42 3.2.2 – Adquisición corriente pila de combustible 42 3.2.3 – Adquisición de la presión de hidrógeno 43 3.2.4 – Adquisición del caudal de hidrógeno 44 3.2.5 – Elevador de tensión control válvula 45 3.3- Diseño del circuito del microcontrolador 46 3.3.1 – Adquisición tensión y corriente convertidor DC/DC 46 3.3.2 – Convertidor D/A 47 3.3.3 – Programa 47 3.3.3.1 – Diagrama de flujo 48 3.3.3.2 – Código del programa 49 3.4- Diseño del convertidor DC/DC 53 3.4.1 – Cálculo bobina 53 3.4.2 – Cálculo condensador de salida 54 3.4.3 – Elección del MOSFET 55 3.4.4 – Elección del diodo 55

3.4.5 – Cálculo disipadores 55 3.4.6 – Driver 56 3.5 – Lista de materiales 56


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3.1- Diseño de las fuentes de alimentación 3.1.1 – Cálculo del consumo del sistema Para empezar a diseñar las fuentes de alimentación se debe conocer el consumo del sistema. -Tensiones de 5 V:

Para la fuente de 5 V se obtienen los consumos de los semiconductores y de los display de las hojas de características de los fabricantes:

Componentes Consumo (mA) Nº de componentes Total (mA) Microcontrolador 250 1 150 AD623 3 4 12 AD557 25 1 25 Amplificadores operacionales 15 3 45 DMP340 (Display) 65 4 260

TOTAL: 492 El consumo teórico para la tensión de 5 V es de 492 mA, pero se debe tener en cuenta las perdidas y las caídas de tensión en las resistencias, por lo tanto se dimensionará para 1 A de consumo. Para futuras aplicaciones se debe sobredimensionar la fuente de alimentación para poder conectar otros circuitos, por lo tanto se decide dimensionar la fuente de alimentación de 5 V para 2 A de salida. -Tensiones de 24 V:

Para el sensor de presión y los ventiladores también se utilizan los valores que facilita el fabricante, y para el sensor de caudal y el control box se realizó la medida del consumo con un polímetro, ya que el fabricante no facilita ese dato:

Componentes Consumo (mA) Sensor de presión 50 Sensor de caudal 50 Control Box 100 Ventiladores pila de combustible 500

TOTAL: 700 El consumo teórico para la tensión de 24 V es de 700 mA, pero se debe tener en cuenta el consumo del driver del convertidor DC/DC y las posibles perdidas, por lo tanto también se dimensionará para un consumo de 1 A. Para futuras aplicaciones se debe sobredimensionar la fuente de alimentación para poder conectar otros circuitos o sensores, por lo tanto se decide dimensionar la fuente de alimentación de 24 V para 2 A de salida.


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3.1.2 – Fuente de alimentación de 5 V


Para realizar los cálculos de la fuente de 5 V se utilizarán los pasos y fórmulas

que indica el fabricante en su hoja de características. La hoja de características está disponible en el capitulo anexos al final del proyecto. 3.1.2.1 – Cálculo de la bobina

Figura 3.2: Guía selección inductor

Para el cálculo de la bobina para el regulador LM2576-5.0 el fabricante proporciona una gráfica (figura 3.2) donde se puede encontrar su valor conociendo la tensión de entrada y la corriente de salida.

El transformador que hay instalado

en el sistema es de 2x12 V. Por lo tanto se tiene una tensión de entrada de 16.9 V ( 12· 2iV = =16.9 V). La fuente tendrá una corriente máxima de salida de 2 A. Con estos dos datos se mira la figura 3.2 y se obtiene una bobina de 150 µH.

3.1.2.2 – Cálculo del condensador de entrada Como condensador de entrada el fabricante recomienda instalar un condensador de 100 µF entre la entrada y masa. 3.1.2.3 – Cálculo del condensador de salida

Para el cálculo del condensador de salida el fabricante nos proporciona la siguiente formula:

16.913300 13300 300

· ( ) 5 ·150in

outout

V VC F

V L H V Hµ

µ µ≥ ≥ ≥ (3.01)


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Al operar con ella se obtiene un condensador mínimo de salida de 300 µF, pero el fabricante recomienda un condensador mínimo de 680 µF. 3.1.2.4 – Elección del diodo El diodo escogido para esta fuente de alimentación a sido un diodo schottky 1N5822 con una tensión máxima de 40 V y una corriente máxima de 3 A. Se a escogido este diodo por su corriente máxima, ya que se quiere dimensionar la fuente de alimentación para tener una corriente máxima de 2 A a la salida y se sobredimensiona a 3 A por seguridad. 3.1.2.5 - Cálculo del disipador

Para calcular el disipador se calculará la potencia disipada:

5· · 17 ·5 2 ·1, 4 0.7

17o

d in q sat loadin

V VP V I V I V mA V mA W

V V= + = + = (3.02)

Se escoge un incremento máximo de temperatura de 20 ºC, con estos dos datos

ya se puede calcular la resistencia térmica del disipador.

20 º28.5 º /

0.7j

d

T CC W

P Wθ

∆= = = (3.03)

Buscando entre los disipadores que se tienen disponibles se encuentra un disipador de ?=28.9 ºC/W, que será el utilizado. 3.1.3 – Fuente de alimentación de 24 V


Para realizar los cálculos de la fuente de 24 V se utilizarán los pasos y fórmulas

que indica el fabricante en su hoja de características. La hoja de características está disponible en el capitulo anexos al final del proyecto.


40

3.1.3.1 – Cálculo de la bobina

Figura 3.4: Guía de selección inductor

Para el cálculo de la bobina para el regulador LM2576-ADJ el fabricante proporciona una fórmula para calcular la constante E·T y luego buscar el valor del inductor en la figura 3.4, para calcular E·T se utilizará la siguiente fórmula:

1000

· ( ) ·( )

24 1000· (33 24 ) · 120 ·

33 50

OUTIN OUT

IN

VE T V V

V F kHzV

E T V V V sV kHz

µ

= −

= − =(3.04)

Mirando la figura 3.4 se obtiene un valor de

220 µH para la bobina.

3.1.3.2 – Cálculo del condensador de entrada Como condensador de entrada el fabricante recomienda poner un condensador de 100 µF entre la entrada y masa. 3.1.3.3 – Cálculo del condensador de salida Para el cálculo del condensador de salida el fabricante proporciona la siguiente formula:

3313300 13300 90

· ( ) 24 ·220in

outout

V VC F

V L H V Hµ

µ µ≥ ≥ ≥ (3.05)

Al operar con ella se obtiene un condensador mínimo de salida de 90 µF, pero el

fabricante recomienda un condensador mínimo de 680 µF.

3.1.3.4 – Elección del diodo Para la elección el diodo se debe utilizar 1.2 veces la corriente máxima de salida, que como se ha calculado en el apartado 3.1.1 son 2 A, como tensión máxima se escogerán 40 V. Con estos dos datos se obtiene de la tabla del fabricante un diodo 1N5822.


41

3.1.3.5 - Cálculo del disipador

Para calcular el disipador se calculará la potencia disipada:

24· · 33 ·5 2 ·1, 4 1.24

33o

d in q sat loadin

V VP V I V I V mA V mA W

V V= + = + = (3.05)

Para calcular este disipador se empezará al contrario que en el apartado 3.1.2.5,

primero se calculará el aumento de temperatura que se tendría si se utilizase el mismo disipador que en la fuente de alimentación de 5 V.

· 1.24 ·28.9 º / 35.8 ºj dT P W C W Cθ∆ = = = (3.06)

El regulador que utilizamos puede trabajar a temperaturas de hasta 150 ºC, por lo tanto si suponemos una temperatura ambiente máxima de 40 ºC, se llegaría a trabajar una temperatura de 75.8 ºC, temperatura muy inferior a la máxima, por lo tanto se utilizaran los mismos disipadores para los dos reguladores. 3.1.3.6 – Otros cálculos El regulador LM2576-ADJ ajusta la tensión de salida mediante un divisor de tensión que debe ajustar la tensión que se tiene a la salida de la fuente de alimentación a un valor de 1.23 V que se debe conectar al pin FEEDBACK del regulador. Para obtener este divisor de tensión se ha montado un potenciómetro multivuelta, de esta manera se puede hacer un ajuste más fino de la tensión de salida y también se podrá modificar la tensión de salida de la fuente de alimentación si fuese necesario.

Para realizar los cálculos se utilizará el potenciómetro como si se tratase de dos resistencias en serie con la salida en la unión de estas dos:

31 ; 1.23

3OUT REF REF

P AV V V V

P B = + =

(3.07)

El potenciómetro que se ha utilizado es de 10 kO, por lo tanto ya tenemos una

ecuación:

P3A+P3B=10 kO

De la formula del divisor de tensión se obtiene la otra ecuación:

P3A = P3B x (24/1.23 – 1) = 18.5 R1

Operando las dos ecuaciones se obtiene:

P3B + 18.5 P3B = 10 kO => P3B=512 O => P3A= 10000-512 = 9488 O


42

Con estos dos valores ya se puede ajustar el potenciómetro para conseguir los 24 V a la salida. Si se quisiera una tensión diferente se seguirían los mismos pasos pero utilizando como Vout el nuevo valor deseado.

3.2- Diseño del circuito de adquisición de datos 3.2.1 – Adquisición tensión pila de combustible

Figura 3.4: Circuito adquisición tensión pila combustible

Para hacer la adquisición de la tensión de la pila de combustible se utilizan dos divisores de tensión, el primero reducirá la tensión de de salida de la pila de combustible hasta un máximo de 5 V que es la máxima tensión que se puede conectar al microcontrolador. El segundo divisor de tensión reducirá la tensión anterior hasta un máximo de 200 mV, que son los necesarios para obtener una lectura de “20.00” en el display cuando la pila de combustible esté entregando 20 V, por lo tanto obtenemos las siguientes ecuaciones:

20

19 20

//105 20 ·

( //10 )

0.2 5 ·10

P

R kV V

R R kR

V Vk

Ω=

+ Ω

=Ω

(3.08)

En la primera expresión le damos un valora a R20=1 kO y operando se obtiene R19=2K9 O. De la segunda expresión obtenemos que Rp=400 O, por lo tanto hay que ajustar el potenciómetro para obtener una resistencia de 400 O entre la salida al display y masa. 3.2.2 – Adquisición corriente pila de combustible

Figura 3.5: Circuito adquisición corriente pila combustible


43

La resistencia sensora utilizada es de 51 mO, por lo tanto con una corriente de 10 A, a la entrada del amplificador de instrumentación habrá 51 mO·10 A=0.51 V. Se desea que a la salida del amplificador de instrumentación para una corriente de 10 A haya 5 V de tensión, por lo tanto se necesita dar una ganancia de G=5/0.51=9.8 al amplificador de instrumentación. Para dar esta ganancia se debe calcular el valor de R8, para calcular su valor nos referiremos al manual de fabricante:

8

100 10011 3

1 9.8 1k k

R kG

Ω Ω= = = Ω

− − (3.09)

A la salida del amplificador de instrumentación se tendrán 5 V cuando se tenga una corriente de 10A, por lo tanto al display debe llegar una tensión de 100mV, para obtener una lectura de “10.00”, por lo tanto se deberá ajustar el potenciómetro para que tenga una resistencia entre la salida del display y masa de:

100 ·10200

5P

mV kR

VΩ

= = Ω (3.10)

3.2.3 – Adquisición de la presión de hidrógeno

Figura 3.6: Circuito adquisición presión de hidrógeno

La señal que se obtiene del sensor es una corriente con un rango de 4-20 mA e interesa que la señal sea una tensión con un rango de 0-5 V, por lo tanto se hará pasar esta señal por una resistencia para hacer la conversión:

R = 5 V / 20mA = 250O Como este valor de resistencia no existe se pondrá una resistencia de 150 O en serie con otra de 100 O. Esta señal se conectará a la entrada positiva del amplificador de instrumentación. El rango de la señal de la entrada positiva será una tensión de 1 a 5 V. A la entrada negativa se le conectará un potenciómetro que se regulará para que proporcione una tensión de 1 V para hacer el cero del instrumento, por lo tanto a la salida del amplificador de instrumentación se tendrá una tensión con un rango de 0-4 V, siendo 4 V => 400 mbar (5.8 psi) de presión.

La salida de amplificador de instrumentación se conecta al microcontrolador y mediante un potenciómetro se ajusta la señal para ser mostrada en el display. El rango


44

que mostrará el display es de 0 a 5.8 psi, para obtener esta lectura es necesario que cuando se tengan 4 V a la salida del amplificador de instrumentación sean 58 mV los que se tengan a la salida del potenciómetro, por lo tanto:

0.058 ·100.058 4 145

10 4V kR

V V Rk V

Ω= ⇒ = = Ω

Ω (3.11)

Para obtener el ajuste necesario, habrá que ajustar el potenciómetro para que

tenga una resistencia de 145 O entre la salida hacia el display y masa. 3.2.4 – Adquisición del caudal de hidrógeno

Figura 3.7: Circuito adquisición caudal de hidrógeno

La señal que se obtiene del sensor es una corriente con un rango de 4-20 mA e interesa que la señal sea una tensión con un rango de 0-5 V, por lo tanto se hará pasar esta señal por una resistencia para hacer la conversión:

R = 5 V / 20 mA = 250 O Como este valor de resistencia no existe se pondrá una resistencia de 150 O en serie con otra de 100 O. Esta señal se conectará a la entrada positiva del amplificador de instrumentación. El rango de la señal de la entrada positiva será una tensión de 1 a 5 V. A la entrada negativa se le conectará un potenciómetro que se regulará para proporcionar una tensión de 1 V para hacer el cero del instrumento, por lo tanto a la salida del amplificador de instrumentación se tendrá una tensión con un rango de 0-4 V, siendo 4 V => 2 l/min.

La salida de amplificador de instrumentación se conecta al microcontrolador y mediante un potenciómetro se ajusta la señal para ser mostrada en el display. El rango que mostrará el display es de 0 a 2 l/min, para obtener esta lectura es necesario que cuando se tengan 4v a la salida del amplificador de instrumentación sean 200 mV los que se tengan a la salida del potenciómetro, y así obtener una lectura de “2,000” cuando tenga los 2 l/min de caudal, por lo tanto:

0.2 ·100.2 4 500

10 4V kR

V V Rk V

Ω= ⇒ = = Ω

Ω (3.12)


45

Para obtener el ajuste necesario, habrá que ajustar el potenciómetro para que tenga una resistencia de 500 O entre la salida hacia el display y masa. 3.2.5 – Elevador de tensión control válvula

Figura 3.8: Circuito elevador de tensión

Para este circuito se escogió el transistor TIP31 por su potencia de disipación y su velocidad de conmutación, ya que la válvula necesita una corriente de más de 600 mA a 24 V. El operacional escogido a sido el LM358J, se ha escogido este operacional ya que permite una alimentación no simétrica de hasta 30 V, para el sistema se necesita alimentar a 24 V. Para obtener la tensión de salida de 24 V cuando tengamos 5 V a la entrada se tiene que calcula el divisor de tensión para que cuando se tengan 24 V en la salida, la entrada negativa del operacional tenga 5 V, por lo tanto:

32 32 31 32

31 32 31 32

0.21·5 24 · 0.21 32

0.21R R R R

V V RR R R R

−= ⇒ = ⇒ =

+ + (3.13)

Si escojo R32=1 kO tenemos: R31= 1 0.21·1

0.21k kΩ − Ω

= 3k7O


46

3.3- Diseño del circuito del microcontrolador 3.3.1 – Adquisición tensión y corriente convertidor DC/DC

Figura 3.9: Circuito adquisición tensión y corriente convertidor DC/DC

Se desea que a la salida del amplificador de instrumentación se tenga 5 V cuando la corriente de salida del convertidor DC/DC sea la máxima. Se sabe que la potencia de la pila de combustible es de 120 W, la tensión de salida del convertidor DC/DC es de 42 V, por lo tanto 120 W/42 V=2.85 A, teniendo en cuenta la pérdidas se tomará como corriente máxima de salida 2.5A. Para obtener los 5 V a la salida se debe dar ganancia al amplificador de instrumentación. LA ganancia será de:

539.3

2.5 ·51V

GA m

= =Ω

(3.14)

Si aplicamos la ecuación que encontramos en el manual del amplificador de instrumentación:

3

100 1002 6

1 39.3 1k k

R kG

Ω Ω= = = Ω

− − (3.15)

Para capturar la tensión se instalará un divisor de tensión para reducir la tensión de salida del convertidor DC/DC a los 5 V máximos que se pueden conectar al microcontrolador, como tensión máxima del convertidor DC/DC se escoge 50 V, por lo tanto:

4

4 5

5 50 ·R

V VR R

=+

(3.16)

Le damos a R4 un valor de R4 = 1 kO, y operando se obtiene R5 = 9 kO, la resistencia comercial más cercana es R5 = 9k1 O.


47

3.3.2 – Convertidor D/A

Figura 3.10: Circuito convertidor D/A

El convertidor D/A escogido para este sistema ha sido el AD557, este convertidor es específico para trabajar con microprocesadores y tiene una velocidad de conversión alta. El único inconveniente es que tiene un rango de salida de 0 a 2.56 V, por lo tanto se conecta un amplificador no inversor con ganancia 2 a la salida para obtener un rango de salida de 0 a 5 V:

5

4

12.56 · 1 2.56 · 1 5.12

1R k

Vo V V VR k

Ω = + = + = Ω (3.17)

Por lo tanto R4 = R5 = 1 kO. 3.3.3 - Programa El programa tiene dos funciones diferenciadas:

1.- Control del caudal de hidrógeno: El programa toma muestras de la tensión de salida de la pila de combustible y comparándola con una consigna que se ha establecido, normalmente 12 V, abre o cierra la válvula proporcional para subir o bajar el caudal del hidrógeno y mantener la tensión de salida estable entorno al punto de consigna. Si se cambia el valor de la carga y la corriente aumenta o disminuye también lo hará la tensión, por lo tanto el programa deberá ser rápido para volver a estabilizar la salida en torno a la consigna. Para hacer este control se utiliza un control integral, es decir:

·Caudal Consigna caudal k error= +

2.- Control del ciclo de trabajo (DC): El programa debe ir variando el

ciclo de trabajo del convertidor DC/DC para tener siempre 42 V a la salida. Para hacer este control se utiliza un controlador integral, es decir:

·DC Consigna DC k error= +

El convertidor DC/DC funciona a una frecuencia de 50 kHz, el

controlador que se ha programado funciona a una frecuencia de 5 kHz.


48

3.3.3.1 – Diagrama de flujo

Inicio

Configuración Timer0 y módulo

PWM

Tiempo=10

¿Tiempo=0?

Tiempo = tiempo-1

Temporizador de 200µs

Captura tensión de salida del convertidor

DC/DC

Captura tensión de salida de la pila de

combustible

Caudal = Consigna caudal + (K x Error)

DC= Consigna DC + (K x Error)

Error = Tensión convertidor – Consigna tensión convertidor DC/DC

Error = Tensión pila – Consigna tensión pila de combustible

No

Si


49

3.3.3.2 – Código del programa ;*************************************** ;* Control de una pila de combustible * ;*************************************** list p=16f877 INCLUDE "P16F877.INC" ;*************************************** ;* Variables ;*************************************** TENSION_PILA EQU 0x70 ERROR1 EQU 0x71 TENSION_CONVERTIDOR EQU 0x72 ERROR_CONVERTIDOR EQU 0x73 CONSIGNA_PILA EQU 0x74 CONSIGNA_CONVERTIDOR EQU 0x75 DC_PWM EQU 0x76 TIEMPO EQU 0x77 VALVULA EQU 0x78 CAUDAL_MAXIMO EQU 0x79 CONSIGNA_DC EQU 0x7A CONSIGNA_VALVULA EQU 0x7D CAUDAL_MINIMO EQU 0x7E VAR EQU 0x7F ;*************************************** ;* Inicio del programa ;*************************************** ORG 0x00 GOTO INICIO ORG 0x05 INICIO ;********************* VARIABLES Y CONFIGURACION ******************** CLRF PORTD; CLRF PORTC; CLRF VALVULA; MOVLW .120 MOVWF CONSIGNA_PILA ;12 V (120) MOVLW .180 MOVWF CAUDAL_MAXIMO MOVLW .60 MOVWF CAUDAL_MINIMO MOVLW .140 MOVWF CONSIGNA_VALVULA MOVLW .201 MOVWF CONSIGNA_CONVERTIDOR ;42 V (201) MOVLW .34 MOVWF CONSIGNA_DC ;34 DC=0.71 (12 V => 42 V) BSF STATUS,RP0 ;BANCO 1 BCF STATUS,RP1 MOVLW H'00' ;PORTA entradas analógicas y resultados

MOVWF ADCON1 ;justificados a la izquierda


50

MOVLW H'FF' MOVWF TRISA ;PORTA entradas CLRF TRISD ;PORTD salidas CLRF TRISC ;PORTC salidas (PWM) MOVLW B'11000111' MOVWF OPTION_REG ;Se configura el TMR0 (Predivisor=256) MOVLW .49 ;Periodo del PWM (50KHz) MOVWF PR2 ;20us = 4x0,1us x 1 x PR2 => PR2=49 BCF STATUS,RP0 ;BANCO 0 CLRF TMR2 CLRF T2CON ;Preescaler TMR2=1, T2=OFF MOVLW H'0F' MOVWF CCP1CON ;Módulo CCP1 en modo PWM MOVF CONSIGNA_DC,W MOVWF CCPR1L ;DC del PWM BSF ADCON0,ADON ;Se enciende el módulo A/D ;********************** TEMPORIZADOR DE 3 SEG ************************ MOVLW .60 MOVWF TIEMPO ;60 x 25mS = 1,5Seg ESP1 MOVLW .11 ;11=255-244 (T=4xTOSCxTMR0xN) MOVWF TMR0 ;TMR0 = 25ms BCF INTCON,T0IF ;Se repone el flan del TMR0 ESP2 BTFSS INTCON,T0IF ;Se espera el paso de los 25ms GOTO ESP2 DECFSZ TIEMPO,1 ;¿Se ha hecho el bucle 120 veces? GOTO ESP1 ;(120 x 25mS = 3SEG) ;********************************************************************* BSF STATUS,RP0 ;BANCO 1 MOVLW B'11000011' MOVWF OPTION_REG ;Se configure el TMR0 (PREDIVISOR=16) BCF STATUS,RP0 ;BANCO 0 BSF T2CON,TMR2ON ;Se enciende el TMR2 (PWM ON) MOVLW .10 ;Temporizador control válvula MOVWF TIEMPO ;200us x 10 = 2ms ESP3

MOVLW .223 ;223=255-32 ;(T=4xTOSCxTMR0xN=4x0.1usx16x32=200us) MOVWF TMR0 ;TMR0 = 200us BCF INTCON,T0IF ;Se repone el flag del TMR0 ESP4 BTFSS INTCON,T0IF ;Se espera el paso de los 200us GOTO ESP4 ;*************** CONTROL CONVERTIDOR DC/DC ************************* ;GOTO VALV MOVLW B'10100001' ;Captura de la tensión del convertidor MOVWF VAR CALL CAPTURA MOVF ADRESH,W

MOVWF TENSION_CONVERTIDOR ;Se guarda el resultado MOVF CONSIGNA_CONVERTIDOR,W ;Se compara la salida con consigna SUBWF TENSION_CONVERTIDOR,W ;(W = TENSION - CONSIGNA) BTFSC STATUS,C ;Salta si CONSIGNA < TENSION GOTO NEG4

XORLW H'FF' ;Se normaliza el resultado negativo


51

ADDLW .1 ADDWF CONSIGNA_DC,W ;Se suma el error a la consigna MOVWF DC_PWM MOVLW .36 ;Se comprueba si se ha pasado del rango de DC SUBWF DC_PWM,W ;W = DC_PWM - CONSIGNA (40) BTFSC STATUS,C ;SI DC > CONSIGNA -> DC=CONSIGNA GOTO NEG5 MOVF DC_PWM,W MOVWF CCPR1L ;Se escribe nuevo ciclo de trabajo en memoria GOTO VALV NEG5 MOVLW .36 MOVWF CCPR1L ;Se escribe máximo ciclo de trabajo en memoria GOTO VALV NEG4 SUBWF CONSIGNA_DC,W ;Se resta el error al ciclo de trabajo BTFSS STATUS,C ;(W = CONSIGNA DC - ERROR) GOTO NEG6 MOVWF DC_PWM MOVLW .28 ;Se mira si ha sobrepasado el DC mínimo SUBWF DC_PWM,W BTFSS STATUS,C ;Si lo sobrepasa salta a NEG6 GOTO NEG6 MOVF DC_PWM,W ;Si no lo sobrepasa escribe el valor MOVWF CCPR1L ;calculado GOTO VALV NEG6 MOVLW .28 ;Escribe el valor de minimo DC. MOVWF CCPR1L ;************************* CONTROL VALVULA *************************** VALV DECFSZ TIEMPO,F ;¿Tiempo=0? GOTO ESP3 ;(10 x 200us = 2ms) MOVLW B'10000001' ;Captura tensión pila combustible MOVWF VAR CALL CAPTURA MOVF ADRESH,W MOVWF TENSION_PILA ;Se guarda el resultado de conversión MOVF CONSIGNA_PILA,W ;Se compara la salida con consigna SUBWF TENSION_PILA,W ;W=TENSION-CONSIGNA BTFSC STATUS,C ;Salta a NEG1 si TENSION>CONSIGNA GOTO NEG1 XORLW H'FF' ;Se normaliza el resultado negativo ADDLW .1 MOVWF ERROR1 ;Se guarda el error en memoria BCF STATUS,C ;Se limpia el carry para hacer RLF RLF ERROR1,W ;Se le da la ganancia al error ADDWF CONSIGNA_VALVULA,W ;Se suma el error a la consigna MOVWF VALVULA MOVF CAUDAL_MAXIMO,W ;Se comprueba si se ha pasado del rango SUBWF VALVULA,W ;de apertura de la válvula BTFSS STATUS,C GOTO NEG2 MOVF VALVULA,W ;Si no se ha pasado se escribe el valor MOVWF PORTD ;Si se ha pasado de rango salta a NEG2 GOTO CONTROL NEG2 MOVF CAUDAL_MAXIMO,W ;Se escribe el valor máximo de MOVWF PORTD ;abertura de la válvula


52

GOTO CONTROL NEG1 MOVWF ERROR1 ;Se guarda el error en memoria BCF STATUS,C ;Se limpia el carry RLF ERROR1,W ;Se le de ganancia al error SUBWF CONSIGNA_VALVULA,W ;Se resta el error a la consigna BTFSS STATUS,C ;Salta si ERROR < CONSIGNA GOTO NEG3 MOVWF VALVULA MOVF CAUDAL_MINIMO,W ;Se mira si se ha sobrepasado la SUBWF VALVULA,W ;minima abertura de la válvula BTFSS STATUS,C ;Si se ha sobrepasado salta a NEG3 GOTO NEG3 MOVF VALVULA,W ;Abre válvula al caudal calculado MOVWF PORTD GOTO CONTROL NEG3 MOVF CAUDAL_MINIMO,W ;Abre la válvula al mínimo MOVWF PORTD CONTROL MOVLW .250 ;Temporizador válvula MOVWF TIEMPO ;1ms x 250 = 250ms MOVLW .231 ;231=255-24 GOTO ESP3B ;(T=4xTOSCxTMR0xN=4x0.1usx16x24=150us) ;******************* FUNCIONES *********************** CAPTURA ;Función para hacer una conversión A/D MOVF VAR,W ;Se configura el convertidor A/D con el puerto MOVWF ADCON0 ;que se encuentra en la variable VAR. CALL TIEMPO20U ;Se espera el tiempo de adquisición BSF ADCON0,GO ;Inicio de la conversión ESP20 BTFSS PIR1,ADIF ;Espera final conversión GOTO ESP20 CALL TIEMPO20U ;Antes de poder realizar otra adquisición RETFIE ;hay que poner otro tiempo de espera. TIEMPO20U ;Temporizador de 20us MOVLW .250 ;252=255-3 (T=4xTOSCxTMR0xN=4x0.1usx16x3=20us) MOVWF TMR0 ;TMR0 = 20us BCF INTCON,T0IF ;Se repone el flag del TMR0 ESP21 BTFSS INTCON,T0IF ;Se espera el paso de lo 20us. GOTO ESP21 RETFIE END


53

3.4- Diseño del convertidor DC/DC

Figura 3.11: Circuito convertidor DC/DC boost

Antes de empezar a hacer los cálculos de los componentes se debe conocer el ciclo de trabajo (D) que tendrá el convertidor:

421 10.71

1 12 1o

i

V VD

V D V D= ⇒ = ⇒ =

− − (3.18)

Para el cálculo de la bobina se buscará el punto donde el convertidor pasa de modo continuo a modo discontinuo. Se tomará como referencia una corriente de salida de 200 mA, a partir de esta corriente el convertidor deberá funcionar en modo continuo, se a escogido esta corriente ya que es un valor muy bajo y el convertidor no trabajará a tan baja carga. Para el cálculo del condensador de salida se debe decidir cual será el rizado máximo y la carga máxima del convertidor. Como rizado máximo se escogerá un valor del 0.3% y para la carga máxima se escogerá una potencia máxima de salida de 100 W. 3.4.1 – Cálculo bobina Primero se calculará la resistencia de carga que se tendrá en el momento en que el circuito empieza a funcionar en modo continuo, que es para el instante para el que se calculará la bobina, cuando la potencia de salida aumente, el valor de la carga disminuirá y por lo tanto el valor de la bobina seguirá siendo válido:

Rout = V/I = 42 V / 0,2 A = 210 O (3.19) Ahora se calculará el valor de la bobina, para ello se utilizará la siguiente fórmula:

2 21· · (1 ) 0.5·210 ·20 ·0.71(1 0.71) 118.5

2L R T D D s Fµ µ≥ − ≥ Ω − ≥ (3. 20)

Por lo tanto tomaremos un valor de 120 µF.

Ahora se calculará el número de vueltas necesarias para su construcción. Antes de empezar, se elegirá el núcleo que se utilizará para construir la bobina. Debe ser un núcleo de gran tamaño, ya que la energía que debe almacenar es grande. El núcleo escogido es de polvo de ferrita que es ideal para acumulación. Concretamente se escoge un núcleo NTH039, el cual tiene una inductancia nominal (? L) de 1000 µH/100 vueltas ±10%. Para calcular el número de vueltas se utilizará la siguiente ecuación:


54

2 6· ·10LL N −= ∆ (3.21)

La inductancia nominal tiene una tolerancia del 10%, por lo tanto para realizar los cálculos se utilizará el valor más bajo posible:

1000 /100 10% 900 /100H vueltas H vueltasµ µ− = (3.22)

De la ecuación 3.22 aislamos N y procedemos a calcularla:

6 6

12036

·10 900 ·10L

mHLN vueltas

Hµ− −= = =∆

(3.23)

El siguiente paso es escoger la sección del hilo que se utilizará para bobinar el inductor, se utilizará una densidad de corriente de 450 A/cm2. La corriente máxima que circulará por la bobina es de 10 A, pero se dimensionará para una corriente de 15 A ya que los picos de corriente que se generaran en la bobina son bastante elevados. Por lo tanto la sección del hilo que se necesita es de:

2 22

150.033 3,33

450 /A

cm mmA cm

= = (3.24)

Para construir el inductor se deberán dan 36 vueltas al núcleo NTH039 con un hilo de 3,33 cm2 de sección. Esta sección no es estándar, por lo tanto se utilizaran hilos con secciones menores y utilizando varios de ellos. Concretamente se utilizará un hilo con un diámetro de 1.25 mm que tiene una sección de 1.22 mm2, por lo tanto se necesitarán:

2

2

3.332.77 3

1.20mm

hilosmm

= ≈ (3.25)

Ahora se calculará la longitud del hilo que sera necesario para construir la bobina:

( )int2· 2· · º · ºextLongitud altura n vueltas n hilos= ∅ − ∅ + (3.26)

( )2· 39.80 24.13 2·14.48 ·36·3 6512.4 6.5Longitud mm m= − + = =

Por lo tanto para la construcción de la bobina utilizaremos un núcleo NTH039 al que le daremos 36 vueltas con tres hilos de 1.25 mm de diámetro. 3.4.2 – Cálculo condensador de salida Primero se calculará el valor de la resistencia de carga para la máxima potencia:

Rout = V2/P = 42 V2/100 W = 17.6 O (3.27)


55

Ahora se calcula el valor del condensador, para ello se utilizará la fórmula típica para ello:

0.71·20·302

0.003·17,6·out

o

o

sD TC F

VR

V

µµ= = =

∆ Ω (3.28)

Para mejorar la respuesta del condensador de salida en lugar de poner un solo condensador del valor calculado, se pondrán varios condensadores electrolíticos de poco valor en paralelo con otros condensadores de poliéster, por lo tanto el condensador de salida será la suma de varios condensadores, concretamente se pondrán 5 condensadores electrolíticos de 47 µF y 4 condensadores de poliéster de 22 µF, en total 320 µF. 3.4.3 – Elección del MOSFET Para la elección del transistor MOSFET se han tenido en cuenta tres parámetros del transistor. Los dos más obvios son la tensión y la corriente, el tercer parámetro que hay que tener en cuenta es la resistencia que tiene el transistor mientras está en conducción. Este último parámetro es muy importante ya que interesa que el valor ohmico sea mínimo, ya que de este valor dependerá directamente la potencia disipada por el transistor y por lo tanto su temperatura. El transistor que se ha elegido ha sido el STW60N10, la tensión máxima es de 100 V, tensión suficiente para que el transistor trabaje correctamente y sin peligro de que se deteriore por sobretensión. El valor de RDS ON es < 0.02 O, otros transistores de las mismas características de tensión y corriente tienen un valor ohmico más elevado, esta fue la característica por la que se eligió este transistor. La corriente máxima que soporta es de 60 A, suficiente para este sistema. 3.4.4 – Elección del diodo El diodo que se utiliza es del tipo schottky ya que tiene una caída de tensión muy baja, en el diodo que se ha escogido es de 0,7 V. Este parámetro es muy importante, incide directamente en la temperatura que tendrá el diodo mientras funciona y afectará a su rendimiento. El diodo escogido es el MBR2090CT, la tensión máxima es de 90 V, valor suficiente para el sistema y la corriente máxima es de 20 A. 3.4.5 – Cálculo disipadores Se decidió montar el MOSFET y el diodo en el mismo disipador. Se busco un disipador que tuviera las medidas apropiadas para poder montarlos juntos y se encontró un modelo con una resistencia térmica de 2.4ºC/W. Se calculará la potencia disipada por los dos componentes y se comprobará si este disipador es suficiente:

2 2· · 0.02 ·10 0.7 ·2.5 3.75

· 3.75 ·2.4 º / 9 ºd DS ON MOSFET F DIODO

Tj d

P R I V I A V A W

P W C W Cθ

= + = Ω + =

∆ = = = (3.29)


56

Se obtiene un incremento de temperatura de 9 ºC, es un incremento muy bajo, por lo tanto se utilizará este disipador. 3.4.6 - Driver

Figura 3.12: Circuito driver

Para la elección del amplificador operacional y los dos transistores bipolares se ha tenido en cuenta la frecuencia a la que trabajarán, ya que el convertidor trabajará a una frecuencia de 50 kHz. El CA3130 puede trabajar hasta frecuencias de 15 MHz. Los dos transistores tienen unos tiempos de conmutación muy bajos, en torno a 50 ns, y una alta ganancia. La resistencia R28 se utiliza para descargar la tensión que se almacena en la puerta del MOSFET. El diodo zener se dimensiona para que limite la tensión que llega a la puerta del MOSFET, ya que podría deteriorarse si le llegase mas tensión a la puerta de la que soporta. Se he escogido de 18 V aunque trabajemos con una señal de 15 V de amplitud pero se pueden generar picos que podrían dañar al MOSFET. 3.5 – Lista de materiales

Código Valor Descripción U1 PIC16F877-20/P Microcontrolador U2 AD557 Convertidor digital/analógico U3 AD623 Amplificador de instrumentación U4 LM318P Amplificador operacional U5 AD623 Amplificador de instrumentación U6 AD623 Amplificador de instrumentación U7 AD623 Amplificador de instrumentación U8 LM2576T-5.0 Regulador de tensión conmutado U9 LM2576T-ADJ Regulador de tensión conmutado

U10 7815 Regulador lineal de tensión U11 CA3130 Amplificador operacional U12 LM358N Amplificador operacional U13 7905 Regulador lineal de tensión

XTAL CST10.00MTW Resonador de 10 MHz P1 1 k? Potenciómetro 1 kO multivuelta P2 1 k? Potenciómetro 1 kO multivuelta P3 10 k? Potenciómetro 10 kO multivuelta


57

P4 10 k? Potenciómetro 10 k? multivuelta P5 10 k? Potenciómetro 10 k? multivuelta P6 10 k? Potenciómetro 10 k? multivuelta P7 10 k? Potenciómetro 10 k? multivuelta R1 2k6 O Resistencia 1% ¼ W R2 1 kO Resistencia 1% ¼ W R3 1 kO Resistencia 1% ¼ W R4 1 kO Resistencia 1% ¼ W R5 9k1 O Resistencia 1% ¼ W R6 10 kO Resistencia 1% ¼ W R7 1 kO Resistencia 1% ¼ W R8 5k6 O Resistencia 1% ¼ W R9 3k7 O Resistencia 1% ¼ W R10 1 kO Resistencia 1% ¼ W R11 150 O Resistencia 1% ¼ W R12 100 O Resistencia 1% ¼ W R13 150 O Resistencia 1% ¼ W R14 100 O Resistencia 1% ¼ W R15 1 kO Resistencia 1% ¼ W R16 2k2 O Resistencia 1% ¼ W R17 51 mO Resistencia 5% 4 W R18 100 kO Resistencia 1% ¼ W R19 1 kO Resistencia 1% ¼ W R20 2k9 O Resistencia 1% ¼ W R21 4k7 O Resistencia 1% ¼ W R22 1k2 O Resistencia 1% ¼ W R23 10 O Resistencia 1% ½ W D1 1N5822 Diodo Schottky 40 V 3 A D2 1N5822 Diodo Schottky 40 V 3 A D3 Led rojo 5mm Led rojo 5mm (para panel) D4 2KBB60 Puente rect. 1,9 A 250 V D5 2KBB60 Puente rect. 1,9 A 250 V D6 ZV18 Diodo zener 18 V D7 1N4148 Diodo pequeña señal D8 1N4148 Diodo pequeña señal D9 MBR2090CT Diodo Schottky 90 V, 20 A

Q3 STW60N10 Transistor MOSFET 100 V, 60 A, 0.02 ?

Q1 ZTX690 Transistor bipolar NPN Q2 ZTX790 Transistor bipolar PNP Q4 TIP31 Transistor NPN de potencia C1 10000 µF 63 V Condensador electrolítico C2 100 µF 63 V Condensador electrolítico C3 220 µF 63 V Condensador electrolítico C4 220 µF 63 V Condensador electrolítico


58

C5 220 µF 63 V Condensador electrolítico C6 22 µF Condensador poliéster MKT C7 6800 µF 63 V Condensador electrolítico C8 100 µF 63 V Condensador electrolítico C9 220 µF 63 V Condensador electrolítico C10 220 µF 63 V Condensador electrolítico C11 220 µF 63 V Condensador electrolítico C12 22 µF Condensador poliéster MKT C13 47 µF 63 V Condensador electrolítico C14 47 µF 63 V Condensador electrolítico C15 47 µF 63 V Condensador electrolítico C16 47 µF 63 V Condensador electrolítico C17 47 µF 63 V Condensador electrolítico C18 22 µF 63 V Condensador poliéster MKT C19 22 µF 63 V Condensador poliéster MKT C20 22 µF 63 V Condensador poliéster MKT C21 22 µF 63 V Condensador poliéster MKT C22 1000 µF 35 V Condensador electrolítico C23 3.3 µF 35 V Condensador poliéster MKT C24 100 nF 35 V Condensador poliéster C25 0.22 µF Condensador cerámico C26 0.1 µF 18V Condensador electrolítico C27 1000 µF 18V Condensador electrolítico L1 150 µH Bobina L2 220 µH Bobina L3 120 µH Bobina

T1 2x12 V 50VA Transformador toroidal 2x12 V 50 VA



Entorno de monitorización y control para una pila de combustible Resultados experimentales

59

4.- Resultados experimentales


60

Índice Resultados experimentales 4.- Resultados experimentales 4.1 – Experimentos con la pila de combustible 61 4.1.1 – Primer ensayo 61 4.1.2 – Pruebas con la interfase de monitorización 64 4.1.3 – Obtención de resultados 66

4.2 – Conclusiones 71

4.3 – Aspecto del prototipo 72


61

4.1 – Experimentos con la pila de combustible 4.1.1 – Primera ensayo Al empezar el proyecto se tenían datos sobre la pila de combustible, ya que era el primer proyecto en el cual se utilizaba esta pila de combustible. Los únicos datos de los que se disponían eran los que proporcionó el fabricante. En el manual de la pila de combustible el fabricante incluye la siguiente stoichometria, la cual muestra el consumo de hidrógeno en l/min para distintas corrientes de salida: Corriente salida (A) H stoich 1 2 5 8 10 12 1 0.153 0.31 0.77 1.22 1.53 1.84 1.1 0.168 0.34 0.84 1.34 1.68 2.02 1.2 0.184 0.37 0.92 1.46 1.84 2.21

Tabla 4.1 - Stoichometria El fabricante también proporciona una gráfica (figura 4.1) donde podemos ver la relación entre la tensión de salida y la potencia de salida con la corriente de salida:

Figura 4.1 – Gráfica tensión-corriente y potencia-corriente

Con estos datos nos podemos hacer una primera idea del funcionamiento de la pila de combustible, se puede ver que tiene un funcionamiento bastante lineal entre el consumo de hidrogeno y la potencia de salida. Antes de empezar a diseñar los circuitos de control se decidió hacer una prueba con la pila de combustible para obtener nuestros propios datos de partida y tener una


62

idea de la respuesta de la pila de combustible, ya se sabía que tenía unas respuestas lentas, pero no se sabía cuanto. Al principio del proyecto la pila de combustible tenia una válvula manual que regulaba el paso de hidrógeno, como punto de partida para la primera prueba se decidió dejarla abierta al máximo y regular una presión de salida en la botella de hidrógeno de 3 psi, recordemos que la presión máxima de trabajo son 3 psi, pero las válvulas siempre introducen una pequeña perdida de presión. Se conectó una carga activa a la salida de la pila de combustible y se comenzó funcionando en vacío y se fue aumentando la carga, los resultados obtenidos están en la siguiente tabla:

Intensidad (A)

Tensión (V)

Caudal (l/min)

Presión (mbar)

0 18,8 0,80 194 1 16,0 0,95 180 2 15,3 1,08 167 3 14,0 1,18 154 4 13,5 1,30 144 5 12,3 1,41 134 6 11,2 1,50 114

Tabla 4.2 – Resultados primer ensayo

En esta prueba no se pudo pasar de los 6 A a la salida de la pila de combustible. Si se intentaba conectar una carga de más de 6 A la pila de combustible se saturaba y la tensión caía a 0 V. Cuando se compro la pila de combustible se habían realizado pruebas y en aquellas ocasiones si que pudieron llegar a los 10 A a la salida e incluso superarlos. Para empezar a estudiar los resultados se pondrán en una grafica y así se podrá observar mejor su evolución, se empezará por ver la relación entre la tensión y la corriente:

Tension (V)

0,02,04,06,08,0

10,012,014,016,018,020,0

0 1 2 3 4 5 6

Intensidad (A)

Figura 4.2 – Gráfica Tensión-Corriente


63

Como se puede ver la gráfica es muy parecida a la que proporciona el fabricante, pero se puede ver que la tensión cae más deprisa, por ejemplo, en la gráfica del fabricante a 6 A se tienen 14 V y en la prueba se obtuvieron 11,2 V. En esta gráfica se puede ver el funcionamiento típico de un pila de combustible, si se fuese disminuyendo el caudal de hidrogeno se vería como esta curva se iría desplazando hacia la izquierda, por lo tanto si se quiere obtener 12 V a la salida en este proyecto, en un principio no se podría pasar de 5 A a la salida. En la figura 4.3 se puede ver la evolución del caudal respecto a la corriente de salida, es decir el consumo de combustible respecto a la potencia entregada:

Caudal (l/min)

0,00

0,20

0,40

0,60

0,80

1,00

1,20

1,40

1,60

0 1 2 3 4 5 6

Intensidad (A)

Figura 4.3 – Grafica Caudal-Corriente

Se puede ver que la relación es bastante lineal, cosa que ya se esperaba. Si se comparan estos resultados con los que nos proporciona el fabricante se puede ver que el consumo es superior al que se indica, para una carga de 5 A el consumo debería ser de 0.92 l/min y en la prueba consumió 1,41 l/min. Este exceso de consumo es debido al solenoide que incorpora la pila de combustible cuya función es ir purgándola periódicamente con el fin de regular “a groso modo” la presión interna de la pila. La salida de este solenoide se coloca un tubo que se introduce en un vaso de agua, así podemos ver que cada vez que actúa evacua hidrógeno de la pila, hecho que puede hacer que el consumo sea más elevado que el que nos indica el fabricante. Si se observa la gráfica para corriente 0 se tiene un consumo de hidrógeno de 0,80 l/min, este consumo es debido a la acción del solenoide, el cual va purgando periódicamente la pila de combustible para conseguir una presión interna constante, sin la acción de este solenoide el consumo es 0, pero es necesaria la utilización del solenoide. Para ser una primera prueba los datos fueron no satisfactorios, pues no se consiguieron las potencias máximas que puede entregar la pila, nos quedamos en torno a los 65 W, justo la mitad de la potencia máxima que declara el fabricante. Cuando se realizó esta prueba posiblemente no se dejó que la pila alcanzase su temperatura óptima de funcionamiento, el fabricante recomienda tener la pila de combustible entre diez y quince minutos con una carga de 1A antes de ponerla en funcionamiento normal para que adquiera su temperatura óptima. De todas formas dejando este tiempo de calentamiento la pila de combustible no parece alcanzar su temperatura normal de funcionamiento y la potencia prevista.


64

En esta primera prueba también se observó que la pila no tenia una dinámica tan lenta como se esperaba. En cambios de carga de 1 A, la pila reacciona en cuestión de uno o dos segundos para volver a tener la tensión de salida estable, si ponemos un escalón de 3 o 4 amperios en la carga vemos que la reacción es más lenta, pero no tarda más de 3 o 4 segundos en volver a tener la salida estable. 4.1.2 – Pruebas con el interfase de monitorización Para realizar las pruebas se dispone de dos bombillas de coche de 12 V, las cuales mediante un interruptor se puede escoger si funciona una o las dos, funcionando una de las bombillas se consigue una carga de 21 W y funcionando las dos bombillas se consigue una carga de 76 W. Para realizarar los ensayos se arranca la pila de combustible tal y como se describe en el apartado 7.5 del pliego de condiciones y se deja en funcionamiento durante 10 minutos con la carga de 21 W para que la pila de combustible alcance su temperatura de funcionamiento. A continuación se pueden observar las potencias conseguidas en los ensayos realizados con la pila de combustible. Se puede observar la disminución del rendimiento:

Fecha ensayo I out Vout Carga utilizada Potencia obtenida 12 – Julio – 2004 6.00 A 11.2 V Carga activa 67.20 W

20 – Noviembre - 2004 4.76 A 9.00 V Lámpara 76W 42.84 W 19 – Enero – 2005 3.70 A 7.00 V Lámpara 76W 25.90 W 22 – Marzo – 2005 3.17 A 6.00 V Lámpara 76W 19.02 W 20 – Mayo – 2005 0.43 A 3.00 V Lámpara 21W 1.29 W 20 – Mayo – 2005 4.35 A 12.00 V Lámpara 76W 52.20 W

Tabla 4.3 – Resultados ensayos

Como se puede observar en la tabla anterior el rendimiento de la pila de combustible ha ido disminuyendo con el paso del tiempo. Durante los ensayos que se fueron realizando y las bajadas de rendimiento que se obtuvieron, se tuvieron diferentes hipótesis que a continuación se enumeran: 1.- Mala evacuación del vapor de agua generado. Al no haber trabajado anteriormente con estos tipos de pila de combustible no se tienen datos sobre la evacuación del vapor de agua, según el fabricante hay que colocar unos ventiladores en la parte inferior y en la parte superior de la pila de combustible para conseguir un caudal de aire descendente. Se han realizado más ensayos variando la posición de los ventiladores pero no se ha conseguido aumentar el rendimiento de la pila. 2.- Corta vida de la pila de combustible. El fabricante no indica la vida de esta pila de combustible, es posible que esté llegando a su fin, se ha buscado información por Internet, pero sobre este tema no hay muchos datos, pero todo apunta a que esta no debería ser la causa. Algunos fabricantes garantizan la vida de sus pilas de combustible PEM en 1500 horas.


65

3.- Contaminación por CO. Las pilas de combustible de tipo PEM son muy sensibles a la contaminación por CO, es posible que el hidrogeno que se esta utilizando tuviera una parte de CO, ya que dependiendo de donde se haya obtenido es posible que la tenga, la botella de hidrogeno no indica nada respecto a este tema. Una segunda botella que se ha instalado en la pila de combustible sí indica que tiene un bajo porcentaje de CO, por lo tanto esta hipótesis debería descartarse. 4.- Mala utilización de la pila de combustible. La pila se combustible necesita un periodo de calentamiento antes de empezar a funcionar, es posible que en alguna de las pruebas que se han realizado con ella este periodo de calentamiento no fuera suficiente, pero tampoco debería ser motivo para una bajada de más del 70% en su rendimiento. 5.- Rotura de alguna membrana. La pila de combustible ya tubo una avería de este tipo, en aquella ocasión se observaba un consumo muy elevado de hidrogeno, cosa que ahora no se observa. Podría ser que alguna de las membranas se empiece a deteriorar pero no este completamente perforada, si observamos los consumos obtenidos en la primera prueba el consumo es superior al que indica el fabricante, es posible que esta sea la causa o una de las causas del deterioro de la pila de combustible. Cuando se decidió hacer el experimento para la obtención de los resultados experimentales (20-5-05) se encontró con que la pila no podía sobrepasar los 3 V de salida con la carga de 21 W. Se decidió medir la tensión de las diferentes celdas de la pila de combustible. Al realizar estas medidas se observó que todas las celdas que funcionaban correctamente tenían una tensión positiva y una resistencia serie baja, pero las últimas 3 celdas tenían una caída de tensión y una resistencia serie alta. Para recuperar el buen funcionamiento de la pila se conectó un cable para cortocircuitar estas tres últimas celdas defectuosas, tal y como se puede ver en la figura 4.4. Después de realizar esta operación la pila de combustible conseguía tensiones de salida de 12 V con la carga de 76 W, esta mejora se muestra en la celda con fondo gris de la tabla 4.3.

Figura 4.4 – Reparación pila combustible

El control de la humedad de las membranas es crucial para el buen funcionamiento de la pila. Esto implica dos factores: la gestión del vapor de agua generada en la reacción y el control del grado de humedad de los gases, tanto el combustible como el oxidante.


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El grado de humedad del aire no se puede controlar, en cambio, para el del combustible se ha construido un sencillo humidificador (figura 4.5) a partir de una botella de plástico, un poco a imagen de los humidificadores de hospital, aunque más pequeño. Un sistema de gestión profesional de la humedad de los gases puede llegar a costar 12000€. Nuestro humidificador no parece haber influido demasiado en el comportamiento del sistema, aunque carecemos de las herramientas necesarias para una verificación firme y numérica de tales extremos.

Figura 4.5 - Humidificador

4.1.3 – Obtención de resultados - Lazo abierto: Como primera experiencia se decidió hacer una prueba en lazo abierto del sistema. Para poder hacer las medidas correctamente se necesitaba tener unos transitorios de carga lentos, en torno a los 100mHz, ya que la dinámica de la pila de combustible es lenta. La carga activa de la que se dispone no puede provocar unos transitorios de carga tan lentos. Para conseguir unos transitorios lentos se decidió montar un circuito que fuera cambiando la carga mediante una señal proveniente de un generador de funciones. El generador de funciones del que disponemos si puede generar señales de frecuencias por debajo de 1Hz. Este circuito puede verse en la figura 4.5.

Figura 4.6 – Circuito generador de transitorios


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Una vez montado el circuito se puso en marcha el sistema según el apartado 7.5 del pliego de condiciones, los resultados obtenidos se pueden observar en la figura 4.7.

La señal de color negro (Ch1) pertenece a la señal de sincronismo, la señal azul

(Ch4) es la corriente de salida de la pila de combustible. La señal verde (Ch2) es la tensión de salida de la pila de combustible y la señal roja (Ch3) es la tensión de mando de la válvula que controla el hidrogeno, que como se ve es constante, como se corresponde a una situación de lazo abierto.

Figura 4.7 – Gráfica lazo abierto

Dado que estamos en lazo abierto y no controlamos el caudal de hidrógeno, la tensión de salida no regula los 12 V que se quiere conseguir. La tensión de salida va “siguiendo” los transitorios de carga. También se observa que la tensión de control de la válvula de combustible (canal 4) tiene un valor medio de 9.92 V. Esta tensión es proporcional al caudal de hidrogeno que está llegando a la pila, con esta medida se podrá comprobar si con los controles que se probaron el consumo es inferior o superior al del lazo abierto.


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-Control proporcional: Para realizar el control de la pila de combustible se utiliza el efecto que se puede observar en la figura 4.8, en esta figura se observa que variando el caudal del hidrógeno se varia la curva de tensión-corriente y por lo tanto el punto de trabajo de la pila de combustible.

Figura 4.8 – Efecto del caudal de hidrógeno

Para hacer la prueba del control proporcional del caudal de hidrógeno se utilizó

la misma carga que para hacer la prueba del lazo abierto y los mismos colores en el osciloscopio. Los resultados obtenidos son los siguientes:

Figura 4.8 – Gráfica control proporcional

En la gráfica podemos observar que el control trata de regular la tensión de salida. Así en el instante A la corriente baja, la tensión sube inicialmente y la válvula se cierra parcialmente. Como consecuencia la tensión empieza a bajar, hasta que en B baja


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demasiado y la válvula se abre de nuevo un poco más (B). En C se recupera la tensión, el caudal vuelve a bajar para tratar de regularla, hasta que en D la corriente aumenta (transitorio forzado por un cambio en la carga), la tensión inicialmente cae, y en E la válvula vuelve a abrir para proporcionar el caudal necesario para lograr remontar la tensión. Este control proporcional se corresponde con el código del programa que aparece en el apartado 3.3.3.2.

Otra cosa importante que se puede observar en esta gráfica es que la tensión de la pila de combustible tiene más facilidad para subir que para bajar, este aspecto dificulta el control. Con el control proporcional se puede observar que la tensión de mando de la válvula proporcional es de 11.56 V, por lo tanto el consumo es superior al del lazo abierto. Con el control proporcional se ha ganado en una tensión de salida más estable pero a aumentado el consumo de combustible. -Control todo-nada: Vistos los resultados se probó otro tipo de control, se realizó un control todo-nada por su sencillez de funcionamiento y programación. Para implementar este control se substituyó la parte del programa del PIC que controla la válvula por el código que se puede ver a continuación. ;********************* CONTROL VALVULA ************************* VALV DECFSZ TIEMPO,F ;¿Tiempo=0? GOTO ESP3 ;(10 x 200us = 2ms) MOVLW B'10000001' ;Captura tensión pila combustible MOVWF VAR CALL CAPTURA MOVF ADRESH,W MOVWF TENSION_PILA ;Se guarda el resultado de conversión MOVF CONSIGNA_PILA,W ;Se compara la salida con consigna SUBWF TENSION_PILA,W ;W=TENSION-CONSIGNA BTFSC STATUS,C ;Salta a NEG1 si TENSION>CONSIGNA GOTO NEG1 MOVLW .190 ;Se abre la válvula al máximo MOVWF PORTD GOTO ESP3 NEG1 CLRF PORTD ;Se cierra la válvula GOTO ESP3 Una vez programado este nuevo algoritmo se conecta la misma carga que en los dos experimentos anteriores y se obtiene la siguiente salida:


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Figura 4.9 – Gráfica control todo-nada

En la gráfica se puede observar que la tensión de salida de la pila de combustible está mejor regulada que con el control proporcional. También es muy importante observar que con este control la tensión de mando de la válvula ha disminuido hasta 3.11 V de media. Por lo tanto con este tipo de control se consigue una tensión de salida mejor regulada que con el lazo abierto o con el control proporcional y también se consigue disminuir considerablemente el consumo de combustible. - Convertidor DC/DC: Para hacer la prueba del convertidor DC/DC se decidió poner una consigna para la tensión de salida de 30 V, se conectó a la salida del convertidor una carga de 60 O. La gráfica que se obtuvo se puede ver en la figura 4.10.

En este caso la señal negra (Ch1) es la tensión de salida del convertidor DC/DC, la señal verde (Ch2) es la tensión de salida de la pila de combustible y la señal azul (Ch4) es la corriente de salida de la pila de combustible, que coincide con la corriente del inductor de boost.


71

Figura 4.10 – Gráfica convertidor DC/DC

En la gráfica se puede observar que la tensión de salida está regulada a una tensión de 29.42 V. También se puede observar que el rizado de la corriente es bastante elevado, se debería instalar una bobina de mayor valor para reducirlo. El rizado de la tensión de salida de la pila de combustible es debido al ruido generado por el convertidor DC/DC. Si observamos la base de tiempo utilizada en la gráfica y lo comparamos con el rizado de la corriente se obtiene una frecuencia de conmutación de 50 kHz que es la frecuencia que hay programada en el PIC para el funcionamiento del convertidor DC/DC. 4.2 – Conclusiones Durante la realización de este proyecto se ha podido observar que una pila de combustible es un sistema variable con el tiempo. Su funcionamiento depende de muchos factores, humedad ambiental, tiempo sin funcionar, arrancarla correctamente, etc. Se han observado muchos cambios en el punto de trabajo, cosa que dificulta la tarea de intentar controlarla. Se puede observar que se obtienen mejores resultados con un control todo-nada que con un control proporcional. Para lograr un mejor control de la pila de combustible seria necesario un programa con un algoritmo mucho más elaborado y la utilización de más parámetros para su control, es decir, se debería tener en cuenta la presión, el caudal, la corriente de salida y la tensión de salida para poder obtener la abertura de la válvula de combustible para cada instante de tiempo. También seria de agradecer tener un modelo de la pila.

La mejora del control podría ser el objetivo de un futuro proyecto, ya que para este proyecto se pretendía observar el funcionamiento de la pila de combustible, dotar al laboratorio de un instrumento que simplificase su monitorización y control, y por último se pretendía dar unos primeros pasos para controlarla, cosa que se ha conseguido y con unos resultados satisfactorios.


72

Gracias al control todo-nada programado en el microcontrolador se consigue tener una tensión a la salida de la pila de combustible mejor regulada que sin el control y también se consigue reducir el consumo de combustible (H2).

Si se observan las gráficas 4.6 (lazo abierto) y 4.8 (lazo cerrado, control todo-nada) se observa que la señal de mando de la válvula baja de 9 V a 3.11 V. Dado que el caudal es proporcional a la señal de mando (figura 4.10) eso nos permite afirmar que ahorramos combustible. Nótese que el solenoide a la salida de la pila regula la presión interna de la misma a un valor aproximadamente constante.

Figura 4.10 – Caudal proporcional

4.3 – Aspecto del prototipo

Figura 4.12 – Flowtronic En la figura 4.12 podemos observar la cámara flowtronic donde está instalada la pila de combustible. La pila de combustible debe funcionar siempre dentro de esta cámara y con el extractor en marcha para evitar fugas de hidrogeno al ambiente.


73

Figura 4.13 – Imagen general del prototipo

En la figura 4.13 se puede ver una imagen general del prototipo, de izquierda a derecha se puede ver la pila de combustible, detrás de la pila se observa la botella de hidrógeno con el manoreductor a la salida. A la derecha de la pila se observa el sensor de caudal encima del cual se encuentra el humidificador. A su lado se encuentra una plancha donde se han instalado la placa del microcontrolador y la placa del convertidor DC/DC. Por último se puede observar la interfase de monitorización.


74

Figura 4.14 – Planta

En la figura 4.14 se puede observar de cerca la planta. La planta está compuesta por la pila de combustible, el sensor de caudal, a la derecha de la pila. El sensor de presión, situado delante de la pila. El humidificador se puede observar encima del sensor de caudal. A la izquierda de la pila de combustible se puede observar el control box y en la parte superior e inferior se pueden ver los ventiladores.


75

Figura 4.15 – Microcontrolador y convertidor DC/DC En la figura 4.13 se pueden ver las placas del microcontrolador a la izquierda y la placa del convertidor DC/DC a la derecha.

Figura 4.16 – Interfase de monitorización

El interfase de monitorización esta comentado en el apartado 2.5.3 (página 20) del proyecto.


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Entorno de monitorización y control para una pila de combustible Planos

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5.- Planos


78

Índice planos 5.- Planos

5.1- Fuentes de alimentación 79

5.1.1-Esquema 79 5.1.2-Circuito impreso 80

5.2- Circuito adquisición de datos 81


5.3- Circuito del microcontrolador 83


5.4- Convertidor DC/DC 85


5.5 – Serigrafía caja de monitorización 87 5.5.1 – Serigrafía frontal caja de monitorización 87 5.5.2 – Serigrafía trasera caja de monitorización 88


79

5.1- Fuentes de alimentación 5.1.1-Esquema


80

5.1.2-Circuito impreso


81

5.2- Circuito adquisición de datos 5.2.1-Esquema


82



83

5.3- Circuito del microcontrolador 5.3.1-Esquema


84



85

5.4- Convertidor DC/DC 5.4.1-Esquema


86



87

5.5 – Serigrafía caja de monitorización 5.5.1 – Serigrafía frontal caja de monitorización


88

5.5.2 – Serigrafía trasera caja de monitorización


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Entorno de monitorización y control para una pila de combustible Presupuesto

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6.- Presupuesto


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Índice presupuesto 6.- Presupuesto

6.1- Precios simples 92

6.1.1- Capitulo A: Diseño 92 6.1.2- Capitulo B: Montaje y puesta en marcha 92 6.1.3- Capitulo C: Material 92

6.2- Amidamientos 94

6.2.1- Capitulo A: Diseño 94 6.2.2- Capitulo B: Montaje y puesta en marcha 94 6.2.3- Capitulo C: Material 94

6.3- Aplicación de precios 96

6.3.1- Capitulo A: Diseño e implementación 96 6.3.2- Capitulo B: Montaje y puesta en marcha 96 6.3.3- Capitulo C: Material 96

6.4- Resumen del presupuesto 99


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6.1- Precios simples Código Unidad Descripción Precio CAPITULO A - Diseño A001 h Estudio teórico 28.00 A002 h Diseño placa adquisición de datos 28.00 A003 h Diseño placa del microcontrolador 28.00 A004 h Diseño placa fuentes de alimentación 28.00 A005 h Diseño placa convertidor DC/DC 28.00 A006 h Diseño software de control 28.00 CAPITULO B – Montaje y puesta en marcha B001 h Bobinado del inductor 13.50 B002 h Mecanizado de la caja 13.50 B003 h Montaje de la placa de adquisición de datos 13.50 B004 h Montaje de la placa del microcontrolador 13.50 B005 h Montaje de la placa de las fuentes de alimentación 13.50 B006 h Montaje de la placa del convertidor DC/DC 13.50 B007 h Pruebas de funcionamiento y puesta en marcha 28.00 CAPITULO C – Material C001 u Resistencias de carbón 1% de tolerancia, diversos valores 0.05 C002 u Resistencia 51 mO 4 W 1.39 C003 u Potenciómetro multivuelta diversos valores 10% tol. ¼ W 1.83 C004 u Potenciómetro para panel 1 kO 1.23 C005 u Condensador electrolítico 10000 µF 63 V 7.62 C006 u Condensador electrolítico 100 µF 63 V 1.13 C007 u Condensador electrolítico 220 µF 63 V 2.10 C008 u Condensador electrolítico 6800 µF 63 V 5.55 C009 u Condensador electrolítico 47 µF 63 V 0.98 C010 u Condensador electrolítico 1000 µF 63 V 2.03 C011 u Condensador electrolítico 0.1 µF 18V 0.53 C012 u Condensador poliéster MKT 22 µF 11.70 C013 u Condensador poliéster MKT 3.3µF 1.46 C014 u Condensador 100 nF 0.23 C015 u Condensador cerámico 220 nF 0.13 C016 u Núcleo toroidal de polvo de hierro 1.18 C017 m Hilo de cobre esmaltado 0.28 mm de diámetro 0.33 C018 u Bobina para filtrado 150 µH 5,4 A 3.13 C019 u Bobina para filtrado 220 µF 3.5 A 3.13 C020 u Transistor MOSFET STW60N10 (100 V, 60 A, 0.02 O) 5.00 C021 u Transistor NPN bipolar ZTX690 0.55 C022 u Transistor PNP bipolar ZTX790 0.55 C023 u Transistor NPN de potencia TIP31 0.28 C024 u Amplificador operacional de uso general CA3120 1.59 C025 u Amplificador operacional LM318P 1.23 C026 u Regulador conmutado de voltaje LM2576T-5.0 7.16 C027 u Regulador conmutado de voltaje LM2576T-ADJ 5.69 C028 u Regulador lineal 7905 0.89


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C029 u Convertidor digital/analógico AD557 9.47 Código Unidad Descripción Precio C030 u Microcontrolador PIC 16F877 -20/P 10.92 C031 u Amplificador de instrumentación AD623 8.13 C032 u Regulador lineal de tensión 7815 0.31 C033 u Cristal resonador del 10MHz 0.52 C034 u Puente rectificador 1.8 A 250 V 0.85 C035 u Puente rectificador 1 A. 0.35 C036 u Diodo Schottky MBR2090CT (90 V, 20 A) 1.92 C037 u Diodo Schottky 1N5822 (40 V, 3 A) 0.50 C038 u Diodo pequeña señal 1N4148 0.03 C039 u Diodo led rojo 5 mm 0.16 C040 u Soporte led rojo para panel 0.06 C041 u Diodo zener 18V 0.05 C042 u Transformador 2x12 V 50 VA 16.74 C043 u Regleta 2 contactos 0.36 C044 u Conector bus 10 contactos 1.18 C045 u Terminal macho de cierre por fricción 5 vías 0.56 C046 u Terminal macho de cierre por fricción 8 vías 0.91 C047 u Terminal hembra para crimpar 0.13 C048 u Carcasas de conector 5 vías 0.48 C049 u Carcasas de conector 8 vías 0.57 C050 u Conector 5 contactos 0.37 C051 u Conector 8 contactos 0.46 C052 u Conector DB9 0.49 C053 u Carcasa para conector DB9 1.25 C054 m Cable multipolar no apantallado 12 x 0.5 mm2 1.69 C055 m Cable bus 10 2.34 C056 u Conmutador de palanca para panel 0.88 C057 u Zócalo DIL fuerza inserción nula 40 pins 11.18 C058 u Zócalo DIL 8 pins (torneados) 0.13 C059 u Zócalo DIL 16 pins (torneados) 0.22 C060 u Disipador TO-220 28.9 ºC/W 0.38 C061 u Disipador TO-220 8.06 ºC/W 1.06 C062 u Disipador de alta potencia 2.4 ºC/W 5.43 C063 u Display 3½ dígitos DMP340 32.28 C064 u Caja metálica para instrumentos 203x279x132 29.44 C065 u Separadores 10 mm M3 0.07 C066 u Tornillos 10 mm M3 0.03 C067 u Tuercas M3 0.02


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6.2- Amidamientos Código Unidad Descripción Cantidad CAPITULO A - Diseño A001 h Estudio teórico 20 A002 h Diseño placa adquisición de datos 15 A003 h Diseño placa del microcontrolador 10 A004 h Diseño placa fuentes de alimentación 15 A005 h Diseño placa convertidor DC/DC 10 A006 h Diseño software de control 15 CAPITULO B – Montaje y puesta en marcha B001 h Bobinado del inductor 1 B002 h Mecanizado de la caja 5 B003 h Montaje de la placa de adquisición de datos 2 B004 h Montaje de la placa del microcontrolador 2 B005 h Montaje de la placa de las fuentes de alimentación 3 B006 h Montaje de la placa del convertidor DC/DC 3 B007 h Pruebas de funcionamiento y puesta en marcha 5 CAPITULO C – Material C001 u Resistencias de carbón 1% de tolerancia, diversos

valores 28

C002 u Resistencia 51 mO 4 W 2 C003 u Potenciómetro multivuelta div. valores 10% tol. ¼ W 6 C004 u Potenciómetro para panel 1 kO 2 C005 u Condensador electrolítico 10000 µF 63 V 1 C006 u Condensador electrolítico 100 µF 63 V 2 C007 u Condensador electrolítico 220 µF 63 V 6 C008 u Condensador electrolítico 6800 µF 63 V 1 C009 u Condensador electrolítico 47 µF 63 V 5 C010 u Condensador electrolítico 1000 µF 63 V 2 C011 u Condensador electrolítico 0.1 µF 18V 1 C012 u Condensador poliéster MKT 22 µF 4 C013 u Condensador poliéster MKT 3.3µF 1 C014 u Condensador ceramico 220 nF 1 C015 u Condensador 100 nF 1 C016 u Núcleo toroidal de polvo de hierro 1 C017 m Hilo de cobre esmaltado 0.28 mm de diámetro 1 C018 u Bobina para filtrado 150 µH 5,4 A 1 C019 u Bobina para filtrado 220 µF 3.5 A 1 C020 u Transistor MOSFET STW60N10 (100 V, 60 A, 0.02 O) 1 C021 u Transistor NPN bipolar ZTX690 1 C022 u Transistor PNP bipolar ZTX790 1 C023 u Transistor NPN de potencia TIP31 1 C024 u Amplificador operacional de uso general CA3120 1 C025 u Amplificador operacional LM318P 1 C026 u Regulador conmutado de voltaje LM2576T-5.0 1 C027 u Regulador conmutado de voltaje LM2576T-ADJ 1


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C028 u Regulador lineal 7905 1 Código Unidad Descripción Cantidad C029 u Convertidor digital/analógico AD557 1 C030 u Microcontrolador PIC 16F877 -20/P 1 C031 u Amplificador de instrumentación IN128 4 C032 u Regulador lineal de tensión 7815 1 C033 u Cristal resonador del 10 MHz 1 C034 u Puente rectificador 1.8 A 250 V 2 C035 u Puente rectificador 1 A 1 C036 u Diodo Schottky MBR2090CT (90 V, 20 A) 1 C037 u Diodo Schottky 1N5822 (40 V, 3 A) 2 C038 u Diodo pequeña señal 1N4148 2 C039 u Diodo led rojo 5 mm 1 C040 u Soporte led rojo para panel 1 C041 u Diodo zener 18 V 1 C042 u Transformador 2x12 V 50 VA 1 C043 u Regleta 2 contactos 5 C044 u Conector bus 10 contactos 2 C045 u Terminal macho de cierre por fricción 5 vías 2 C046 u Terminal macho de cierre por fricción 8 vías 1 C047 u Terminal hembra para crimpar 18 C048 u Carcasas de conector 5 vías 2 C049 u Carcasas de conector 8 vías 1 C050 u Conector 5 contactos 2 C051 u Conector 8 contactos 1 C052 u Conector DB9 4 C053 u Carcasa para conector DB9 2 C054 m Cable multipolar no apantallado 12 x 0.5 mm2 2.5 C055 m Cable bus 10 0.50 C056 u Conmutador de palanca para panel 2 C057 u Zócalo DIL fuerza inserción nula 40 pins 1 C058 Zócalo DIL 8 pins (torneados) 6 C059 u Zócalo DIL 16 pins (torneados) 2 C060 u Disipador TO-220 28.9 ºC/W 2 C061 u Disipador TO-220 8.06 ºC/W 1 C062 u Disipador de alta potencia 2.4 ºC/W 1 C063 u Display 3½ dígitos DMP340 4 C064 u Caja metálica para instrumentos 203x279x132 1 C065 u Separadores 10 mm M3 16 C066 u Tornillos 10 mm M3 21 C067 u Tuercas M3 21


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6.3- Aplicación de precios Código Unidad Descripción Precio Cantidad Importe CAPITULO A – Diseño A001 h Estudio teórico 28.00 20 560.00 A002 h Diseño circuito adquisición de

datos 28.00 15 420.00

A003 h Diseño circuito del microcontrolador

28.00 10 280.00

A004 h Diseño circuito fuentes de alimentación

28.00 15 420.00

A005 h Diseño circuito convertidor DC/DC 28.00 10 280.00 A006 h Diseño software de control 28.00 15 420.00

TOTAL CAPÍTULO A - Diseño 2380.00 El presupuesto del capitulo suma la cantidad de dos mil trescientos ochenta euros

CAPITULO B – Montaje y puesta en marcha B001 h Bobinado del inductor 13.50 1 13.50 B002 h Mecanizado de la caja 13.50 5 67.50 B003 h Montaje de la placa de adquisición

de datos 13.50 2 27.00

B004 h Montaje de la placa del microcontrolador

13.50 2 27.00

B005 h Montaje de la placa de las fuentes de alimentación

13.50 3 40.50

B006 h Montaje de la placa del convertidor DC/DC

13.50 3 40.50

B007 h Pruebas de funcionamiento y puesta en marcha

28.00 5 140.00

TOTAL CAPÍTULO B – Montaje y puesta en marcha 356.00 El presupuesto del capitulo B suma la cantidad de trescientos cincuenta y seis euros

CAPITULO C – Material C001 u Resistencias de carbón 1% de

tolerancia, diversos valores 0.05 28 1.60

C002 u Resistencia 51 mO 4 W 1.39 2 2.78 C003 u Potenciómetro multivuelta diversos

valores 10% tol. ¼ W 1.83 6 10.23

C004 u Potenciómetro para panel 1 kO 1.23 2 2.46 C005 u Condensador electrolítico 10000 µF

63 V 7.62 1 7.62

C006 u Condensador electrolítico 100 µF 63 V

1.13 2 2.26


2.10 6 12.60


5.55 1 5.55


0.98 5 4.90

C010 u Condensador elec. 1000 µF 63 V 2.03 2 4.06


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Código Unidad Descripción Precio Cantidad Importe C011 u Condensador electrolítico 0.1 µF 0.53 1 0.53 C012 u Condensador poliéster MKT 22 µF 11.70 4 46.80 C013 u Condensador poliéster MKT 3.3 µF 1.46 1 1.46 C014 u Condensador 100 nF 0.23 1 0.23 C015 Condensador cerámico 220 nF 0.13 1 0.13 C016 u Núcleo toroidal de polvo de hierro 1.18 1 1.18 C017 m Hilo de cobre esmaltado 0.28 mm

de diámetro 0.33 4 1.32

C018 u Bobina para filtrado 150 µH 5,4 A 3.13 1 3.13 C019 u Bobina para filtrado 220 µF 3.5 A 3.13 1 3.13 C020 u Transistor MOSFET STW60N10

(100 V, 60 A, 0.02 O) 5.00 1 5.00

C021 u Transistor NPN bipolar ZTX690 0.55 1 0.55 C022 u Transistor PNP bipolar ZTX790 0.55 1 0.55 C023 u Transistor NPN de potencia TIP31 0.28 1 0.28 C024 u Amplificador operacional de uso

general CA3120 1.59 1 1.59

C025 u Amplificador operacional LM318P 1.23 1 1.23 C026 u Regulador conmutado de voltaje

LM2576T-5.0 7.16 1 7.16

C027 u Regulador conmutado de voltaje LM2576T-ADJ

5.69 1 5.69

C028 u Regulador lineal 7905 0.86 1 0.86 C029 u Convertidor digital/analógico

AD557 9.47 1 9.47

C030 u Microcontrolador PIC 16F877 -20/P

10.92 1 10.92

C031 u Amplificador de instrumentación IN128

8.13 4 32.52

C032 u Regulador lineal de tensión 7815 0.31 1 0.31 C033 u Cristal resonador del 10 MHz 0.52 1 0.52 C034 u Puente rectificador 1.8 A 250 V 0.85 2 1.70 C035 u Puente rectificador 1 A 0.52 1 0.52 C036 u Diodo Schottky MBR2090CT

(90 V, 20 A) 1.92 1 1.92

C037 u Diodo Schottky 1N5822 (40 V, 3A) 0.50 2 1.00 C038 u Diodo pequeña señal 1N4148 0.03 2 0.06 C039 u Diodo led rojo 5mm 0.16 1 0.16 C040 u Soporte led rojo para panel 0.06 1 0.06 C041 u Diodo zener 18 V 0.05 1 0.05 C042 u Transformador 2x12 V 50 VA 16.74 1 16.74 C043 u Regleta 2 contactos 0.36 5 1.80 C044 u Conector bus 10 contactos 1.18 2 2.36 C045 u Terminal macho de cierre por

fricción 5 vías 0.56 2 1.12

C046 u Terminal macho de cierre por fricción 8 vías

0.91 1 0.91


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Código Unidad Descripción Precio Cantidad Importe C047 u Terminal hembra para crimpar 0.13 18 2.34 C048 u Carcasas de conector 5 vías 0.48 2 0.96 C049 u Carcasas de conector 8 vías 0.57 1 0.57 C050 u Conector 5 contactos 0.37 2 0.74 C051 u Conector 8 contactos 0.46 1 0.46 C052 u Conector DB9 0.49 4 1.96 C053 u Carcasa para conector DB9 1.25 2 2.50 C054 m Cable multipolar no apantallado

12 x 0.5 mm2 1.69 2.5 4.22

C055 m Cable bus 10 2.34 0.50 1.17 C056 u Conmutador de palanca para panel 0.88 2 1.76 C057 u Zócalo DIL fuerza inserción nula

40 pins 11.18 1 11.18

C058 Zócalo DIL 8 pins (torneados) 0.13 6 0.78 C059 u Zócalo DIL 16 pins (torneados) 0.22 2 0.44 C060 u Disipador TO-220 28.9 ºC/W 0.38 2 0.78 C061 u Disipador TO-220 8.06 ºC/W 1.06 1 1.06 C062 u Disipador de alta potencia 2.4 ºC/W 5.43 1 5.43 C063 u Display 3½ dígitos DMP340 32.28 4 129.12 C064 u Caja metálica para instrumentos

203x279x132 29.44 1 29.44

C065 u Separadores 10 mm M3 0.07 16 1.12 C066 u Tornillos 10 mm M3 0.03 21 0.63 C067 u Tuercas M3 0.02 21 0.42

TOTAL CAPITULO C – Material 407.27 El presupuesto del capitulo C suma la cantidad de cuatrocientos siete euros con veintisiete céntimos


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6.4- Resumen del presupuesto Capítulo Resumen Importe

A Diseño 2380.00 B Montaje y puesta en marcha 356.00 C Material 407.27

TOTAL EJECUCIÓN MATERIAL 3143.27 13.00% Gastos generales 408.62 6.00 % Beneficio industrial 188.59 SUMA DE DG Y BI 597.21 16% IVA 598.47 TOTAL PRESUPUESTO GENERAL 4338.95 Sube el presupuesto general a la cantidad de cuatro mil trescientos treinta y ocho euros con noventa y cinco céntimos



Entorno de monitorización y control para una pila de combustible Pliego de condiciones

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7.- Pliego de condiciones


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Índice pliego de condiciones 7.- Pliego de condiciones 7.1 – Disposiciones y abarque del pliego de condiciones 102 7.1.1 – Objetivo del pliego 102 7.1.2 – Descripción del proceso 102 7.2 – Condiciones de los materiales 103 7.2.1 – Especificaciones eléctricas 103 7.2.1.1 – Placas de circuito impreso 103 7.2.1.2 – Interconexión de placas 103 7.2.1.3 – Resistencias 103 7.2.1.4 – Condensadores 104 7.2.1.5 – Inductores 105 7.2.1.6 – Circuitos integrados y semiconductores 105 7.2.1.7 – Reglamento electrotécnico de baja tensión 105 7.2.2 – Especificaciones mecánicas 106 7.3 – Condiciones de ejecución del proyecto 106 7.3.1 – Elección y compra de materiales 106 7.3.2 – Construcción del inductor 106 7.3.3 – Soldadura de los componentes 106 7.4 – Condiciones facultativas 107 7.5 – Arranque y manejo de la pila de combustible 108


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7.1 – Disposiciones y abarque del pliego de condiciones 7.1.1 – Objetivo del pliego El presente proyecto pretende el estudio y montaje de un sistema que controle una pila de combustible de tipo PEM. La utilidad del proyecto se centra en posteriores estudios y no en un ámbito industrial. Si se tuviera que aplicar en un futuro en un ambiente industrial se deberían aplicar varias modificaciones, como por ejemplo, protecciones por sobretensiones y cortocircuitos. En caso de que se aplicase para cubrir una necesidad industrial se deberá seguir el pliego de condiciones. El pliego de condiciones define los siguientes aspectos: - Obras que componen el proyecto - Características exigibles de los materiales y los componentes - Detalles de la ejecución del proyecto - Programa de obras o itinerario de montaje - Manejo de la pila de combustible En caso de duda en la puesta en marcha del proyecto, consultar con el proyectista. 7.1.2 – Descripción del proceso Las diversas partes que componen el proyecto se redactan a continuación. Quedando establecido este estricto orden, con la obligación de terminar la etapa anterior antes de empezar la posterior. 1.- Encargo y compra de los componentes necesarios 2.- Construcción del inductor 3.- Fabricación de las placas de circuito impreso 4.- Montaje de los componentes en las placas fabricadas anteriormente 5.- Montaje en la caja a cargo del director 6.- Ajuste y comprobación de los parámetros para el buen funcionamiento 7.- Puesta en marcha del entorno 8.- Controles de calidad. Fiabilidad

9.- Mantenimiento del equipo. Informando debidamente a las personas que en u futuro estarán a cargo del equipo

Todas estas partes que en su conjunto forman a obra, tendrán que ser ejecutadas por montadores que se someterán a las normas de la comunidad autónoma, país o bien comunidades internacionales tengan previstas para este tipo de montajes, no haciéndose responsable el proyectista de los desperfectos ocasionados por el incumplimiento.


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7.2 – Condiciones de los materiales En este apartado se explican las características técnicas exigibles a los componentes presentes en la ejecución de la obra. 7.2.1 – Especificaciones eléctricas 7.2.1.1 – Placas de circuito impreso Todos los circuitos se realizan sobre placas de fibra de vidrio de sensibilidad positiva de diferentes medios, utilizando una cara sencilla o doble según el diseño. 7.2.1.2 – Interconexión de placas Todas las placas se conectarán a través de cableado. Estos no deberán cumplir ninguna condición especial, solamente se deberá tener en cuenta los movimiento bruscos producidos por el usuario con tal de que no fallen las conexiones. 7.2.1.3 – Resistencias Es necesario conocer los extremos máximos y mínimos entre los que estarán comprendidas las resistencias. La tolerancia marca esto valores que se expresan normalmente como el porcentaje del valor de ohmios asignados teóricamente. Se tendrá que expresar su tolerancia, añadiendo su valor nominal. Existen resistencias con una gran precisión en el valor, lo que implica fijar tolerancias muy bajas, se tendrá en cuenta que el precio aumenta considerablemente y solamente serán necesarias en aplicaciones muy especificas, están normalmente destinadas a usos generales las tolerancias estandarizadas de 5%, 10% y 20%. Atendiendo a su valor óhmico y la tolerancia, se establece de forma estándar una serie de valores, de forma que con ellos se pueda obtener toda la gama de resistencias desde 1 ohmnio hacia delante, estos valores son los siguientes: E6: 1, 1.5, 2.2, 3.3, 4.7, 7.8 E12: 1, 1.2, 1.5, 1.8, 2.2, 2.7, 3.3, 3.9, 4.7, 5.6, 7.8, 8.2 E24: 1, 1.2, 1.3, 1.5, 1.6, 1.8, 2, 2.2, 2.4, 2.7, 3, 3.3, 3.6, 3.9, 4.3, 4.7, 5.1, 5.6, 7.2, 7.8, 7.5, 8.2, 9.8

E48: 1.0 1.05 1.10 1.15 1.21 1.27 1.33 1.40 1.47 1.54 1.62 1.69 1.78 1.87 1.96 2.05 2.15 2.26 2.37 2.49 2.61 2.74 2.87 3.01 3.16 3.32 3.48 3.65 3.83 4.02 4.22 4.42 4.64 4.87 5.11 5.36 5.62 5.90 6.19 6.49 6.81 7.15 7.50 7.87 8.25 8.66 9.09 9.53

E96: 1,00 1,02 1,05 1,07 1,10 1,13 1,15 1,18 1,21 1,27 1,30 1,33 1,37 1,40 1,43

1,47 1,50 1,54 1,58 1,62 1,65 1,69 1,74 1,78 1,82 1,87 1,91 1,96 2,00 2,05 2,10 2,15 2,21 2,26 2,32 2,37 2,74 2,87 2,94 3,32 3,40 3,48 3,57 3,92 4,02 4,12 4,22 5,11 5,23 5,36 5,49 6,34 6,49 6,65 8,25 8,45 8,66 8,87 9,09


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La serie E6 equivale a los valores correspondientes a la tolerancia del 20%, la serie E12 a valores para el 10%, la serie E24 a los 5%,la serie E48 a los 2% y la serie E96 al 1% de tolerancia. El conjunto total de valores de toda la gama se obtiene multiplicando por 0.1, 1, 10, 100, 103, 104, 105, 106, 107 la tabla anterior. Para evitar la utilización de un número alto de ceros en la designación del valor de una resistencia se utilizan las letras ‘k’ y ‘M’, que significan un factor multiplicador de 103 y 106 respectivamente. Para identificar el valor de una resistencia se utiliza de colores que permite cubrir toda la gama de la tabla anterior. A este sistema se le denomina código de colores y consiste en pintar alrededor de la resistencia, en un extremo, cuatro anillos de unos colores determinados, correspondiendo a los dos primeros a los dos números principales, el tercer número define el número de ceros que son necesarios añadir y el cuarto color corresponde a la tolerancia. La disipación de potencia en forma de calor que es capaz de soportar se tiene que tener en cuenta, ya que la corriente que atraviesa la resistencia hace que se produzca una energía que se transforma en calor, la cantidad de esta es proporcional al valor óhmico de la resistencia directamente proporcional al cuadrado de la intensidad de corriente que la atraviesa. Por lo tanto para un valor fijo de resistencia se disipara al ambiente una cantidad de calor cuatro veces mayor si circula una corriente de segunda que si lo hace una de primera. La máxima disipación que puede soportar una resistencia es un factor que afecta al tamaño físico de esta y obliga en algunos casos a realizar diseños de alta potencia. 7.2.1.4 – Condensadores La capacidad de los condensadores se mide en faradios pero debido a que esta unidad es excesivamente grande se utilizan submúltiplos de esta, las más utilizadas son: - Microfaradio (1 µF = 10-6 F) - Nanofaradio (1 nF = 10-9 F) - Picofaradio (1 pF = 10-12 F) Por la similitud con la forma de designación de los valores de las resistencias se utilizan en ocasiones, en lugar de la designación ‘nF’ por nanofaradio la letra ‘K’ de forma que siempre que se lea en el cuerpo del condensador el valor expresado por un numero seguido de la letra ‘K’ se indicará que se a utilizado el nanofaradio en la designación de su valor. Existe en el mercado un amplio abanico de condensadores, de los que conviene conocer sus principales características, con el objeto de poder utilizar los más idóneos para cada aplicación: 1.- Los condensadores cerámicos tienen una aplicación que va desde la alta frecuencia de tipo compensado en temperatura y bajas tolerancias hasta la baja frecuencia con condensadores de desacoplo y paso. Su aspecto exterior puede ser tubular, de disco y de lenteja.


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2.- Los condensadores de plástico metalizado se utilizan en bajas y medianas frecuencias como condensadores de paso y en algunas ocasiones de alta frecuencia. Tienen la ventaja de poder conseguir capacidades relativamente elevadas a tensiones que en muchos casos llegan a superar los 1000 V. 3.- Los condensadores electrolíticos de aluminio y de tántalo son los que poseen la mayor capacidad para un tamaño menor. Este tipo de condensadores son de polaridad fija, por lo que se deben utilizar en aquellos puntos en los que existe una tensión continua, aplicándose normalmente en filtros rectificadores, desacoplamientos en baja frecuencia y de paso. Su comportamiento en baja frecuencia no es bueno, por lo que no es recomendable su uso. 7.2.1.5 – Inductores Un inductor es un componente pasivo de dos terminales diseñado para que presente un coeficiente de autoinductancia ‘L’ que se expresa en Henrios ‘H’. Cuando el inductor aparece acoplado magnéticamente con otro se incluye el parámetro ‘M’ denominado coeficiente de inducción mutua, que también viene dado en Hendiros. En ambas variables se utilizan los siguientes submúltiplos: -Milihenrio (1 mH = 10-3 H) -Microhenrio (1 µF = 10-6 H) Al igual que en las resistencias y los condensadores, solamente es posible aproximarse al valor ideal de ‘L’ o ‘M’. De los tres elementos pasivos, el de peor aproximación es precisamente el inductor, y más cuando este tiene que bobinarse por el instalador. 7.2.1.6 – Circuitos integrados y semiconductores En este proyecto se utilizan los siguientes integrados: - Amplificadores de instrumentación AD623 - Microcontrolador PIC 16F877 -20/P - Amplificador operacional LM318P - Amplificador operacional CA3130 - Convertidor D/A AD557 Todos ellos se deberán alimentar a la tensión adecuada. Las características más importantes así como otras magnitudes significativas se encuentras en las hojas de los fabricantes en el apartado ‘Anexos’. 7.2.1.7 – Reglamento electrotécnico de baja tensión Todos los aspectos técnicos de instalación que, directa o indirectamente, estén incluidos en el Reglamento de Baja Tensión han de seguir lo que se disponga en las diferentes normas. Las instrucciones más importantes relacionadas con la realización del proyecto son las siguientes: -MIBT.017 Instalaciones interiores o receptores. Principios de carácter general


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-MIBT.029 Instalaciones a pequeñas tensiones -MIBT.030 Instalaciones a tensiones especiales -MIBT.031 Receptores. Preinscripciones generales

-MIBT.035 Receptores. Transformadores y autotransformadores, reactancias y rectificadores. Condensadores. -MIBT.044 Normas UNE de obligado cumplimiento

7.2.2 – Especificaciones mecánicas Todos los materiales son de una calidad que se adapta al objetivo que se persigue. No obstante, en caso de que no se encuentre en el mercado algún producto por estar agotado, el instalador encargado del montaje deberá estar capacitado para substituirlo por otro similar o equivalente. Las placas del circuito impreso se realizarán en fibra de vidrio de sensibilidad positiva. Se recomienda el uso de zócalos para la inserción de los circuitos integrados. De esta forma se disminuye el tiempo de reacción y se evita el calentamiento excesivo de los pines del circuito integrado en el proceso de soldadura, que podría deteriorarlo. 7.3 – Condiciones de ejecución del proyecto 7.3.1 – Elección y compra de materiales La compra de materiales, componentes y aparatos necesarios tendrá que realizarse con el tiempo necesario para que estén disponibles en el momento en que comience el ensamblaje de los componentes. 7.3.2 – Construcción del inductor Para la bobina se dispondrá de cable de bobinar de 0.28mm soldable. Se cortaran cuatro cables de una distancia equivalente a una vuelta del núcleo multiplicada por 37. Se realizaran las 36 espiras y se entrelazaran los hilos de los dos terminales para facilitar su soldadura. Al acabar estañamos los dos terminales. Para mayor seguridad en la medidas de los cables, realizar una vuelta con el cable en el núcleo y la medida que de de contorno la multiplicamos por 1.2, así obtenemos una aproximación de una vuelta. 7.3.3 – Soldadura de los componentes Existen diversos métodos para poner en contacto permanente dos conductores eléctricos, o lo que es lo mismo, realizar entre ellos una conexión eléctrica, pero el mas útil, por sus excelentes características de sencillez, seguridad y rapidez es la soldadura realizada mediante la aportación de la fusión de una aleación metálica. El proceso de soldadura consiste por tanto en unir dos conductores de tipo y forma diferentes (terminales de componentes entre si o un circuito impreso, hilos y cables, chasis metálicos) de forma que mediante la adición de un tercer material conductor en estado líquido, por fusión entre los tres conductores de tal manera que al enfriarse a la temperatura ambiente se obtenga una unión rígida permanente.


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La realización de la soldadura requiere unas condiciones iniciales a las que superficies conductoras que se vayan a unir, así como los utensilios para soldar y conseguir una soldadura de calidad. Se ha de tener en cuenta y vigilar constantemente el estado de limpieza de los conductores que se pretenden soldar, ya que la presencia de óxidos, grasa y cualquier tipo de suciedad impide que la soldadura sea de la calidad necesaria de forma que pueda mantenerse sin ninguna degradación con el tiempo. 7.4 – Condiciones facultativas Los permisos de carácter obligatorio se tendrán que obtener por parte de la empresa contratante, quedando la empresa contratista al margen de todas las consecuencias derivadas de las mismas. Cualquier retardo por el proceso de fabricación por causas debidamente justificadas, siendo estas ajenas a la empresa contratista, será debidamente aceptado por el contratante, no teniendo este último derecho alguno a reclamar. Cualquier demora no justificada supondrá el pago de una multa por el valor del 6% del importe total de fabricación por fracción de retardo acordado en el contrato. La empresa contratante se compromete a proporcionar las mejores facilidades al contratista para que la fabricación se realice de manera rápida y perfecta. El aparato cumplirá los requisitos mínimos respecto al proyecto encargado, cualquier variación o mejora en el contenido del mismo se tendrá que consultar al técnico diseñador. Durante el tiempo estimado para la instalación el técnico proyectista podrá renunciar a la suspensión momentánea si así lo estima oportuno. Las características de los elementos y componentes serán los especificados en la memoria, teniéndose en cuenta para su perfecta colocación y posterior utilización. La contratación de este proyecto se considera válida cuando las dos partes implicadas se comprometen a concluir las cláusulas del contrato, por el cual tendrán que estar firmados los documentos adecuados en una reunión conjunta después de haber llegado a un acuerdo. Los servicios dados para la empresa contratista se consideran finalizados desde el momento en el que el aparato se ponga en funcionamiento después de la previa comprobación de que todo funciona correctamente. El presupuesto no incluye gastos de tipo energético producidos por el proceso de instalación, ni en obras, en caso de ser necesarias, que correrán a cuanta de la empresa contratante. El cumplimiento de las elementales comprobaciones por parte de la empresa instaladora no será competencia del proyectista, el cual queda fuera de toda responsabilidad derivada del mal funcionamiento del equipo como consecuencia de esta omisión.


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7.5 – Arranque y manejo de la pila de combustible Para obtener un buen funcionamiento y evitar problemas con la pila de combustible hay que seguir unos pasos necesarios para hacer el arranque y la parada de la pila de combustible, los pasos están descritos a continuación: Arranque: - Si la pila de combustible ha estado un largo periodo de tiempo sin utilizarse se debe humedecer la parte superior con agua destilada.

- Colocar el interruptor de control del frontal de la caja de monitorización en “manual” o “automático” dependiendo del control que se desee hacer.

- En el control box, colocar el potenciómetro que controla el solenoide en el mínimo y el potenciómetro que controla la velocidad de los ventiladores a la mitad de su recorrido.

- Conectar la carga que se desea alimentar a una de las dos salidas del frontal de la caja de monitorización. Es recomendable arrancar con una carga en torno a 1 o 2 A.

- Dar presión de hidrogeno a la planta, es aconsejable dar la presión poco a poco para no sobrepasar la presión máxima, dejar una presión en el manómetro de 200 mbar (3 psi aproximadamente). - Conectar la alimentación de la caja de monitorización.

- Si se ha escogido un control manual ir subiendo el caudal de hidrogeno poco a poco hasta que se consigan los 12 V a la salida y dejar la pila con este caudal durante unos 10-15 minutos para que la pila de combustible aumente su temperatura, si el control escogido es el automático, la tensión de salida llegará a los 12 V y se estabilizará, dejar pasar 10-15 minutos para que la pila de combustible alcance su temperatura de funcionamiento.

- Pasados los 10-15 minutos ya se puede aumentar la carga de la pila de combustible, si la carga va aumentando también hay que aumentar la velocidad de los ventiladores, si se va a utilizar a una carga estable se puede subir el tiempo de purga del solenoide. Parada: - Cerrar la salida de hidrogeno para vaciar la planta de hidrogeno.

- Cuando se llegue a un caudal 0 y a una tensión 0 ya se puede desconectar la alimentación de la caja de monitorización.

- Si la pila de combustible ha estado funcionando durante bastante tiempo dejar un tiempo prudencial conectada la caja de monitorización para que los ventiladores no se paren y hagan descender la temperatura de la pila de combustible y ayuden a evacuar el agua que pueda quedar en su interior.


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Entorno de monitorización y control para una pila de combustible Anexos

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8.- Anexos


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Índice Anexos 8.- Anexos

8.1 – Bibliografía 112 8.2 – Webs utilizadas 112 8.3 – Manual de la pila de combustible 113 8.4 – Datasheets 131


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8.1 – Bibliografía [1] Larminie, James. “Fuel cell systems explained James Larminie, Andrew Dicks”. Chichester John Wiley & Sons cop. 2003 [2] “Fuel cell technology handbook edited by Gregor Hoogers”. Boca Raton CRC cop. 2003 [3] “Fuel cell technology for vehicles edited by Richard Stobart”. Fuel cell technology for vehicles edited by Richard Stobart [4] Jose Mª Angulo. “Microcontroladores PIC – La clave del diseño”. Thomson editores [5] Maixé Altés, Javier. “Apuntes de la asignatura Electrónica de Potencia”. Universidad Rovira i Virgili, curso académico 2003-2004 [6] Canto Navarro, Enrique F. “Apuntes de la asignatura Sistemas electrónico con microcontrolador”. Universidad Rovira i Virgili, curso académico 2002-2003 [7] P. T. Krein, Fuel Cells: Electrical Energy Conversion Issues, Presentación seminario Noviembre 2002. 8.2 – Webs utilizadas

- Direcciones sobre pilas de combustible: http://www.bcsfuelcells.com/ http://www.fuelcell-resources.com/ http://science.howstuffworks.com/fuel-cell.htm http://www.fuelcells.org - Tiendas online:

http://www.amidata.es http://www.farnell.com http://www.ariston.es/ - Componentes: http://www.st.com http://www.ti.com http://www.parker.com http://www.sensor-technik.de

http://www.fluidocontrol.es/ http://www.mag-inc.com/


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8.2 – Manual de la pila de combustible A continuación se encuentran dos manuales de la pila de combustible, el primero de ellos es el original que acompañaba a la pila de combustible, el siguiente manual fue enviado por el fabricante después de una reparación que se hizo a la pila de combustible. Si hay que hacer alguna consulta se debe utilizar el segundo manual y completarlo con el primero.


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Manual original de la pila de combustible


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Manual de la pila de combustible después de la reparación


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8.3 – Datasheets A continuación se encuentran los siguientes manuales o las páginas más

importantes de estos:

- Sensor de presión A05 - Electroválvula proporcional (ASCO Serie 202) - DPM 340 (Display) - AD623 (Amplificador de instrumentación) - LM2576 (Regulador conmutado) - PIC 16F877 (Microcontrolador)


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