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Análisis y Diseño del Sistema de Control de una Pila de Combustible

Motivación:
En el Instituto de Tecnologías del Hidrógeno y Energías Sostenibles (ITHES), en su sede del Pabellón de Industrias de Ciudad Universitaria, posee una planta piloto de producción de H2 que alimenta a una pila de combustible tipo PEM comercial. Se requiere desarrollar un sistema de control para esta pila que permita operarla en diferentes condiciones de trabajo.

Objetivo:
La pila posee actualmente un sistema de control que solo permite la operación en condiciones muy estrictas, en particular en cuanto a la composición del hidrógeno de alimentación. Es por ello que se desea reemplazar el sistema actual por otro más flexible.
En una primera etapa se debe analizar el actual esquema para conocer con precisión cuál es su funcionalidad. En una segunda etapa se propondrá la alternativa "abierta" que permita variar las condiciones operativas. A fin de facilitar la operación del sistema se deberá desarrollar una interfase hombre-máquina implementado en una plataforma de PC.

Lugar de Trabajo:
Instituto de Tecnologías del Hidrógeno y Energías Sostenibles (ITHES), sede Pabellón de Industrias de Ciudad Universitaria.

Anexo:
La Pila de Combustible:
La pila de combustible instalada en el ITHES consiste en un dispositivo tal que, alimentado con H2 y O2, genera energía eléctrica capaz de entregar una potencia máxima de 2,5KW. Se alimenta con H2 por el ánodo, y O2 por el cátodo. En este caso, la pila es del tipo "cátodo abierto", lo que significa que toma el O2 directamente del aire.
La clasificación de las pilas se hace de acuerdo a la naturaleza de su membrana. En este caso, la membrana sólo es permeable (idealmente) a protones y agua (de allí su denominación PEM: “proton exchange membrane” o “membrana de intercambio protónico”). Los protones pueden cruzar del ánodo al cátodo, mientras que los electrones no, y son forzados a circular por el circuito de carga.
En el ánodo se produce la hemirreacción de oxidación del hidrógeno: H_2↔ 2H^+ +2 e^-. Los electrones van hacia el ánodo y los protones viajan a través de una membrana hacia el cátodo.
En él cátodo se encuentra: a) el O2 del aire, b) los protones producidos en el ánodo que cruzaron la membrana, y c) los electrones que circularon desde el ánodo a través de la carga. La hemirreacción de reducción del O2 es: 4H^++O_2+4e^-↔2H_2 O (agua).

(1) Ánodo; (2) Membrana; (3) Cátodo
Una de las ventajas de esta tecnología se ve en esta última reacción: el "escape" es agua. El carácter limpio del proceso estará finalmente asociado a cómo se produjo del H2: si se produjo a partir de hidrocarburos fósiles, obviamente no es limpia, pero si se produce a partir de biomasa, sí lo es.
Una desventaja del método está relacionada con la pureza del H2. Si el H2 contiene CO, el cual es inevitable producir, éste se adsorbe fuertemente sobre el electrocatalizador del ánodo y hace que el potencial de la pila caiga o presente un comportamiento oscilante. Éste es uno de los fenómenos a analizar en esta tesis para tratar de minimizar su efecto.
También es deseable poder registrar todas las variables y parámetros de la pila, por lo que se propone diseñar una interfase hombre-máquina.

Tutor: 
Aníbal Zanini
Cotutores: 
Pablo Giunta
Área principal: 
Automatización y Control
Áreas complementarias: 
Electrónica de Potencia
Laboratorio: 
Laboratorio de Control Ingeniería Química - Ciudad Universitaria
Contacto: 
azanini@fi.uba.ar, pablodegiunta@hotmail.com
Fecha de publicación: 
02/09/2016