Subsistema Eléctrico de Pilas de Combustible
Si se tomara la producción eléctrica directamente de una pila de combustible, sería una fuente de energía no ideal. La salida de una pila de combustible es un voltaje de CC que varía ampliamente y tiene una capacidad de sobrecarga limitada. La salida eléctrica tarda en responder a los cambios de carga porque se basa en una reacción química y puede tener un inicio lento debido al tiempo necesario para que se estabilice el flujo de reactivo. Sin embargo, la salida es útil para muchas aplicaciones que utilizan cargas de CA y CC. Para que las pilas de combustible se comporten como baterías, existen tres opciones:
(1) la pila de combustible debería diseñarse para compensar los picos de potencia,
(2) las cargas deben rediseñarse para adaptarse a las limitaciones de la celda de combustible, o
(3) se requiere electrónica de potencia.
Por lo general, la pila de combustible está diseñada para compensar los picos de potencia junto con el diseño del sistema electrónico de potencia. La Figura 1 muestra un esquema general de la pila de combustible que ilustra el componente electrónico de potencia como un elemento esencial en el sistema de pila de combustible.
Figura 1. La electrónica de potencia es un elemento esencial del sistema de pila de combustible.
Las pilas de combustible proporcionan un voltaje y una densidad de corriente constantes con un consumo de carga constante. Se puede utilizar un convertidor de potencia para ajustar el voltaje de salida de la pila de combustible a un voltaje lo suficientemente alto como para compensar los picos de potencia esperados o cumplir con los requisitos de carga. Como se muestra en la Figura 2, se requiere un convertidor elevador CC-CC para aumentar el nivel de voltaje para usar con el inversor. Este convertidor elevador, además de aumentar el voltaje de la pila de combustible, también regula el voltaje de entrada del inversor y aísla los circuitos de bajo y alto voltaje.
Figura 2. Diagrama de bloques típico de la interfaz de la electrónica de potencia de una pila de combustible
Dispositivos de conmutación
El voltaje de la celda de combustible se puede regular reduciendo el voltaje a un valor fijo o aumentando el voltaje a un voltaje fijo. Normalmente, el voltaje se aumenta a un voltaje más alto. Los ajustes de voltaje se pueden lograr cambiando o cortando circuitos. Algunos interruptores electrónicos útiles son el MOSFET, IGBT y el tiristor.
MOSFET de potencia: el transistor de efecto de campo semiconductor de óxido metálico (MOSFET) es un dispositivo controlado por voltaje que se enciende aplicando un voltaje a la puerta. Cuando el dispositivo está «encendido», la resistencia entre el drenaje (d) y la(s) fuente(s) es baja. La ruta actual se comporta como una resistencia, cuyo valor «encendido» es la resistencia (RDSon), que puede ser tan baja como 0,01 ohmios para dispositivos que conmutan voltajes bajos y 0,1 ohmios para dispositivos que pueden conmutar voltajes más altos. La Figura 3 muestra un dispositivo MOSFET de ejemplo. Los MOSFET se utilizan normalmente en sistemas que tienen una potencia inferior a 1 kW.
Figura 3. Ejemplo de (a) MOSFET, (b) IGBT y (c) dispositivo de tiristor
2.Transistor bipolar de puerta aislada (IGBT): El IGBT (transistor bipolar de puerta aislada) es un dispositivo que combina un MOSFET y un transistor bipolar convencional. El IGBT requiere un voltaje bajo con corriente insignificante en la puerta para encenderse. El flujo de corriente principal va del colector al emisor y el voltaje no aumenta más de 0,6 V en todas las corrientes dentro del dispositivo. La Figura 3 muestra un dispositivo IGBT de ejemplo que tiene un voltaje máximo de 1700 y una corriente máxima de 600 con un tiempo de conmutación de 1 a 4 microsegundos. El IGBT es la opción preferida en sistemas desde 1 kW hasta varios cientos de kilovatios. Una desventaja del IGBT son los tiempos de conmutación más lentos, lo que lo convierte en una desventaja en sistemas de menor potencia.
3. Tiristores o rectificadores controlados por silicio (SCR): uno de los interruptores electrónicos más comunes es el tiristor, y estos dispositivos bloquean el voltaje tanto en dirección directa como inversa. Un impulso de corriente en la puerta desencadena la transición del estado de bloqueo al estado de conducción. El dispositivo continúa conduciendo hasta que la corriente cae a cero. La Figura 3 muestra un ejemplo de dispositivo tiristor.
Reguladores de conmutación
Un regulador de conmutación toma bits de energía del voltaje de entrada y los mueve a la salida. Estos reguladores se encienden y apagan a una velocidad fija establecida por el circuito. El tiempo que el interruptor permanece cerrado durante cada ciclo de conmutación varía para mantener un voltaje de salida constante. Los reguladores de conmutación funcionan en modos de aumento (impulso), reducción (reducción) e inversión. Las pérdidas de energía son muy pequeñas y, como resultado, el regulador de conmutación normalmente puede tener una eficiencia superior al 85%. Dado que las pilas de combustible son dispositivos de bajo voltaje, a menudo es deseable aumentar el voltaje, y esto se puede lograr utilizando circuitos de conmutación como se muestra en las Figuras 4 y 5.
Figura 5. Ruta actual cuando el interruptor está apagado.
Si se acumula algo de carga en el condensador y el interruptor está encendido, la corriente eléctrica se está acumulando en el inductor. La carga se suministra mediante la descarga del condensador y el diodo evita que la carga regrese a través del interruptor. Cuando el interruptor está apagado, el voltaje del inductor aumenta. Tan pronto como el voltaje aumenta por encima del capacitor, la corriente fluirá a través del diodo, cargará el capacitor y fluirá a través de la carga. Estos circuitos de conmutación o corte elevadores y reductores son convertidores CC-CC. Estos vienen preempaquetados con una amplia gama de potencias y voltajes. Si los requisitos no se pueden cumplir con un convertidor CC-CC preempaquetado, estas unidades se pueden diseñar y ensamblar de manera sencilla.
4. Convertidores de CC a CC: se utiliza un convertidor de CC a CC para regular el voltaje porque la celda de combustible varía con la corriente de carga. Se puede utilizar un convertidor elevador CC-CC para aumentar el voltaje a niveles más altos.
a. Convertidor de interruptor único: El convertidor elevador de interruptor único consta de un interruptor, un diodo, un inductor, un capacitor y un bloque de control, como se ilustra en la Figura 6. Durante la operación, el interruptor se “activa” y “apaga” para aumentar el voltaje de entrada a el nivel de voltaje deseado. En el estado «encendido», la energía se almacena en el inductor y el condensador suministra la corriente de carga. En el estado «apagado», la energía del inductor se transfiere a la carga.
Figura 6. Un convertidor elevador de un solo interruptor.
b. Convertidor DC-DC push-pull: El convertidor DC-DC push-pull utiliza un transformador para aumentar el voltaje de salida. Los interruptores de alimentación no conducen simultáneamente sino que alternan hacia adelante y hacia atrás. Cuando este convertidor está diseñado adecuadamente, puede generar muchos cientos de vatios de potencia de salida.
c. Convertidores CC a CC de puente completo: El convertidor CC-CC de puente completo es similar al convertidor push-pull. Hay varias deficiencias asociadas con este tipo de convertidor, como sobretensiones transitorias debido a fugas del transformador y recuperación del rectificador de salida. Los cuatro interruptores se encienden y apagan para aplicar un voltaje positivo y negativo en el transformador.
5. Inversores: Las pilas de combustible se pueden utilizar tanto en hogares como en empresas como principal fuente de energía. Estos sistemas de pilas de combustible deberán conectarse a la red de CA. La producción de la pila de combustible también deberá convertirse a CA en algunos sistemas independientes de la red.
Los componentes principales de un convertidor monofásico se muestran en la Figura 7. Tiene cuatro interruptores etiquetados de la A a la D, y a través de cada interruptor hay un diodo. La resistencia y el inductor representan la carga. Al operar el inversor, los interruptores A y D se encienden y la corriente fluye hacia la carga. Luego estos interruptores se apagan. La corriente continuará fluyendo en la misma dirección, a través de los diodos y a través de los interruptores B y C, y luego de regreso al suministro. Luego se encienden los interruptores B y C y la corriente fluye hacia la izquierda.
Figura 7. Un circuito inversor de puente H para producir corriente alterna monofásica.
Supercondensadores
Los supercondensadores se están utilizando ahora como un dispositivo viable de almacenamiento de energía y, en ocasiones, se utilizan en innovadores sistemas híbridos de pilas de combustible. Algunas de las características de los supercondensadores comerciales actuales incluyen:
• Densidades de energía hasta 100 veces superiores a las de los condensadores convencionales.
• Tiempos de descarga rápidos
• Un rango de capacitancia de 0,43 a 2700 F y superior, con un voltaje nominal entre 2,3 y 100 V y una corriente que oscila entre 3 y 600 A
• Funcionamiento sin mantenimiento
Los supercondensadores se pueden utilizar para hacer frente a los altos picos de potencia creados por la carga. Si hay una caída de voltaje significativa, también se liberará una gran cantidad de energía almacenada.
Conclusión
Al diseñar un sistema de pila de combustible, el subsistema electrónico es un componente esencial. Además de las pérdidas internas de la pila de combustible, es necesario considerar la cantidad de energía necesaria para otros componentes electrónicos, como el convertidor elevador CC-CC. El sistema debe diseñarse utilizando un enfoque holístico para que sea eficiente y produzca la máxima potencia de salida.
