“Desarrollo de un sistema de control para una celda de combustible portátil” Presenta: M en C Juan José Aguayo Puc Dir. de Tesis: Dra. Beatriz Escobar Morales (CICY) Codirección de Tesis Dr. Víctor Sánchez Huerta (UQROO)

Contenido Antecedentes Trabajos previos Delimitaciones Justificación Objetivo Hipótesis Metodología Aplicación potencial Cronograma de actividades

Antecedentes La producción y el uso de la energía suponen la principal causa de las emisiones de gases de efecto invernadero, gases responsables del cambio climático Puntos Importantes 1.- Aumento de consumo de energía en todas las variantes 2,3 2.- Aumento de quemas de combustibles fósiles y bajas reservas de mundiales de crudo 1 3.- Contaminación ambiental 2 En la actualidad las sociedades están consumiendo mas energía lo que conlleva a utilizar cada día mas y mas combustibles fósiles y como consecuencia tenemos un deterioro ambiental por la acumulación de gases de efecto invernadero lo que aumenta la temperatura de la tierra y causa estragos en nuestros climas y en nuestros entornos. 1.-Hurtado, J. I. L.; Soria, B. Y. M.; Española, F. d. l. I. N., El hidrógeno y la energía, Asociación Nacional de Ingenieros del ICAI, 2007, 2.- Morales, N. R.; Maya, G. I.; Sánchez, N. F. T., Modelado de una celda de combustible tipo PEM, CULCyT (41), 2015 3.- Morales Zamora, M.; Cabrera Bermudez, X., Las celdas de combustible, una alternativa viable para el desarrollo de tecnologias mas limpias, Revista Cubana de Quimica 18(1), 141, 2006

Alternativa al uso de combustibles fósiles Alternativa al uso de combustibles Fósiles 4,5 Una alternativa para erradicar el consumo de combustibles fósiles seria la utilización del hidrogeno como vector energético, para solventar los consumos de las sociedades. Una alternativa que a mediano y largo plazo se vislumbra como un método ecológico, social, y económico que a su vez lo convierte en soportable viable y equitativo y por lo tanto sustentable, en la actualidad podemos decir que el factor económico juega un papel importante dado que las tecnologías que necesita este vector no están en su etapa de madures, lo que conllevaría a ser ecológico, social, soportable pero no viable equitativo y no económico. Pero nos da la responsabilidad de seguir investigando en estos campos para poder avanzar con la tecnología relacionada al hidrogeno como vector energético. Nosotros trabajaremos con una celda de combustible del tipo PEM – Etanol directo Comparación de las diferentes celdas de combustible y sus reacciones electroquímicas 6 4.- Acuna Garrido, F.; Munoz Yi, V., Celdas de combustible: una alternativa amigable con el medio ambiente para la generacion de potencia y su impacto en el desarrollo sostenible de Colombia en el siglo XXI, Ingenieria y Desarrollo (10), 94, 2001 5.- Fierro, J.; Gómez, L.; Peña, M., El hidrógeno: un vector energético no contaminante para automoción, Instituto de catálisis y petroquímica, CSIC, Cantoblanco, Madrid, España 157-162, 2001 6.- Ordonez, M.; Quaicoe, J. E., Soft-Switching Techniques for Efficiency Gains in Full-Bridge Fuel Cell Power Conversion, IEEE Transactions on Power Electronics 26(2), 482-492, 2011

Celda de combustible de Metanol Directo Celda de Etanol 7 Dentro de las celdas PEM las se encuentran la de Metanol Directo y etanol directo la diferencia es que obtenemos el doble de electrones y el doble de Hidrógenos y dos moléculas de CO2, Las celdas de combustible aunque se vislumbren como una tecnología prometedora para producción de energía eléctrica, tienen sus problemas a la hora de utilizar la energía que transforman ya que la potencia que entregan en sus terminales eléctricas no puede ser utilizable por no contar con una salida regulada para ser aprovechada para conectar los diferentes tipos de dispositivos que utilizamos en nuestra vida cotidiana. Por eso se utilizan los acondicionadores de potencia para tomar esa potencia que entrega la celda y convertirla en una potencia que pueda ser aprovechada por algún dispositivo eléctrico. 7.-Lamy, C.; Lima, A.; LeRhun, V.; Delime, F.; Coutanceau, C.; Léger, J.-M., Recent advances in the development of direct alcohol fuel cells (DAFC), Journal of Power Sources 105(2), 283-296, 2002

Convertidores Buck AC-DC-, AC-AC, DC-AC, DC-DC. Buck Boost Buck-Boost AC= Corriente Alterna DC= Corriente Directa AC Boost Que podemos observar según el lugar que se encuentren los 3 elementos como lo es s o el diodo o el inductor determinara si es elevador. Reductor o elevador-reductor DC Buck-Bost

Acondicionadores de potencia Convertidores DC-DC (BOOST) 8 Polarización del inductor condicionante de la conducción del diodo Dentro de los acondicionadores de potencia nos encontramos con un convertidor de corriente directa a directa llamado Boost que aumenta el voltaje que tenemos a la entrada y explicamos su funcionamiento, aquí les muestro la configuración típica de un convertidor boost y el funcionamiento se describe de la siguiente manera. Tenemos dos estados en el circuito 1 cuando S esta conectado y cuando S esta desconectado, cuando S esta conectado la bobina se carga y el diodo queda polarizado negativamente y no conduce, cuando s esta desconectado la bobina cambia de polaridad y queda el diodo polarizado positivamente lo cual hace que conduzca y alimente el condensador y la carga al siguiente paso s de conecta y la carga se alimenta de lo que hay en el capacitor y todo comienza de nuevo Estados del circuito 8.- Mohan, N.; Undeland, T. M.; Robbins, W. P., Power Electronics. Converters, Applications, and Design. 2003, Inc

Aplicaciones en dispositivos portátiles Los dispositivos portátiles cada vez son mas pequeños y mas poderosos, indudablemente para su funcionamiento requieren de fuentes de energía cada vez más potentes y duraderas. La batería de iones de litio están llegando al límite de su capacidad energética en cuanto al diseño de su espacio disponible y en la relación peso/volumen de los nuevos dispositivos electrónicos, requiriéndose cada vez más sistema de energía con mayor densidad de potencia y peso ligero Celda de combustible acoplada con un convertidor DC-DC a un dispositivo de portátil 9 9.- Brey, J. J.; Bordallo, C. R.; Carrasco, J. M.; Galván, E.; Jimenez, A.; Moreno, E., Power conditioning of fuel cell systems in portable applications, International Journal of Hydrogen Energy 32(10–11), 1559-1566, 200

Trabajos previos Convertidores reportados Chan P. Freddy propone un convertidor boost robusto con una entrada de 3.5 V para alimentar una carga de hasta 50 W a un voltaje de 12 V 10.- Chan P. Freddy I., E. H. E., Smith Mascha A., Torres M. Emmanuel, Sánchez H. Víctor M., Toral C. Homero, Acosta O. Roberto, Diseño y evaluación de la confiabilidad de un convertidor de potencia para un sistema de generación de energía basado en cldas de combustible RIEE&C, Revista de Ingenieria Electrica, Electronica y Computacion. 117, 2013

Tiene un V de alimentación de 6 a 7.5 V Brey, J. J. Propone el mismo convertidor con la diferencia en la señal modulada por ancho de pulso (PWM) lo cual es inyectada atreves de un micro controlador programable Texas Alimenta una carga de 100 W Tiene un V de alimentación de 6 a 7.5 V 11.- Brey, J. J.; Bordallo, C. R.; Carrasco, J. M.; Galván, E.; Jimenez, A.; Moreno, E., Power conditioning of fuel cell systems in portable applications, International Journal of Hydrogen Energy 32(10–11), 1559-1566, 2007

Tiene una alimentación que va de 2.2 a 12 V Urbani, F. Propone un convertidor Boost para alimentar una carga de12 W a 17 V Tiene una alimentación que va de 2.2 a 12 V 12.-Urbani, F.; Squadrito, G.; Barbera, O.; Giacoppo, G.; Passalacqua, E.; Zerbinati, O., Polymer electrolyte fuel cell mini power unit for portable application, Journal of Power Sources 169(2), 334-337, 2007

La celda entrega un máximo de 18 W Inman, K. es el autor que reporta un convertidor similar a nuestra aplicación La celda entrega un máximo de 18 W Cuenta con 2 convertidores Boost de 5 y 12 V La tecnología que utiliza es un integrado Texas 12.- Inman, K., Ahmad, Z., Shi, Z., & Wang, X. (2011). Design of a proton exchange membrane portable fuel cell system for the 1st international association for hydrogen energy design competition. international journal of hydrogen energy, 36(21), 13868-13874.

Delimitaciones Carga a Alimentar : Motorola G3 Modelo: XT1543 Alimentación: de 5 V DC a un mínimo de 470 mA Estos datos condicionan a nuestro convertidor a entregar un mínimo de potencia de 2.350 Watts o 2350 mW De igual forma condicionan a que nuestra celda entregue 2350 mW + el consumo de nuestro convertidor que rondara de 1000 a 1800 mW Se utilizara una celda de combustible PEM de Etanol directo La salida del convertidor estará provista de un conector universal USB y se conectara al cable de datos del teléfono Proyecto CONACYT

Justificación Las tecnologías electrónicas portátiles como las computadoras y teléfonos celulares necesitan de una fuente de alimentación para recargar sus baterías, la pérdida de tiempo que se desperdicia al mantenerlos conectados para que su pila se cargue por completo han impulsado la necesidad de nuevos sistemas de alimentación rápida.

Objetivo Elaborar un sistema acondicionador de potencia que se acople a una celda de combustible, se conecte eléctricamente a sus terminales y regule la potencia entregada de la celda para que a su salida brinde una potencia que pueda ser utilizada como generador de energía de emergencia.

Hipótesis El acondicionador electrónico de potencia regulará la potencia de salida de una celda de combustible y brindará al final del proceso una potencia regulada con valores de corriente y voltaje apropiados para una aplicación en dispositivos portátiles.

Metodología Construcción y validación del prototipo Rev. bibliográfica Correr pruebas a celda de combustible Análisis de los datos Escoger topología Calculo de elementos del circuito Simulación Análisis de resultados Construcción y validación del prototipo

Aplicación potencial Texas TPS61202 Pudiera utilizarse un encapsulado con la tipología Boost que nos entregaria 5 V a su salida ya que este integrado esta diseñado para ser utilizado para potencias muy bajas

Boost Integrado Comercial Este arreglo se puede implementado para alimentar cargas que van de 1.8 v a 5.5 v variando las resistencias R1 y R2 y el capacitor