Evolución de la utilización de combustible real

Uno de los objetivos de control impuestos en el estudio de rampa de intensidad es mantener un valor de utilización constante en torno al 75%, para lo cual se actúa sobre el flujo molar de combustible de entrada en función de la variación de intensidad. Sin embargo, en este apartado se representa la utilización de combustible real obtenida en la pila de combustible (flujo molar de hidrógeno consumido respecto al alimentado) en la figura 3.17. Inicialmente se aprecia una brusca bajada, recuperándose lentamente el valor de utilización de combustible hasta estabilizarse en un valor próximo a 0,75.

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Conclusiones y acciones futuras

En este apartado se exponen las conclusiones obtenidas sobre el modelado de pila de carbonato fundido presentado en el proyecto y las posibles acciones futuras.

En el primer capítulo se han presentado las principales características de la pila de combustible obteniéndose las conclusiones que se muestran a continuación. Las pilas de combustible han evolucionado considerablemente a lo largo de su historia desde su invención por William Grove en 1839 hasta sus actuales aplicaciones en baja, media y alta potencia. La aparición de la pila de carbonato fundido en 1960 es relativamente reciente, por lo que su nivel de desarrollo no es tan avanzado como el de otras pilas. Las pilas de combustible ofrecen una gran variedad de aplicaciones debido a su diversidad, ya que cada tipo de pila de combustible posee características propias que la hacen adecuada para determinados usos. En particular, las pilas de carbonato fundido se caracterizan por las ventajas que presenta su operación a alta temperatura: permitiendo reformado interno y cogeneración debido a la producción de energía térmica útil mediante el aprovechamiento del calor residual generado por la pila.

En el segundo capítulo se ha desarrollado un modelo matemático en estado estacionario de pila de carbonato fundido con matrices electrolíticas LiNaCO3 y LiKCO3. Se ha estudiado el comportamiento de la pila de combustible en términos de disposiciones de flujo a través del ánodo y cátodo, y los efectos de temperatura, presión, utilización de combustible y número de compartimentos en la eficiencia de la celda, obteniéndose las siguientes conclusiones. En primer lugar, la comparativa de las matrices electrolíticas LiNaCO3 y LiKCO3 muestra que el empleo de la matriz electrolítica de LiNaCO3 es más eficiente que el uso de la matriz de LiKCO3, pues el voltaje producido para un rango de densidad de corriente común de la pila de combustible es mayor para la matriz LiNaCO3 al producirse menores pérdidas de voltaje en los electrodos y el electrolito. Respecto al estudio de la temperatura en la eficiencia de la celda de carbonato fundido se aprecia un fuerte incremento del voltaje con el aumento de temperatura hasta un cierto valor de temperatura (625ºC), en el cual el voltaje permanece prácticamente constante con el aumento de temperatura. El voltaje de celda también muestra una fuerte dependencia de forma proporcional a la presión de operación e inversa a la utilización de combustible. Por otra parte, el estudio del número óptimo de compartimentos en la celda de combustible revela que el voltaje no aumenta apreciablemente a partir de un

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cierto número de divisiones de la celda. Es preciso conocer el número ideal de compartimentos en la celda que produzca un incremento de voltaje sin aumentar innecesariamente el número de compartimentos y con ello el coste del sistema. Por último, la comparativa entre las disposiciones de flujo paralelo y cruzado respecto a los caudales de entrada en los electrodos ánodo y cátodo ofrece valores de voltaje muy próximos, por lo que la disposición tomada no afecta significativamente en la eficiencia de la celda.

En el tercer capítulo se han presentado los aspectos principales del modelado dinámico y del control de un sistema de pila de carbonato fundido con reformador interno. El modelo se ha empleado ante una supresión y una rampa de intensidad. En primer lugar, el resultado de las fracciones molares de los componentes en el ánodo en función del tiempo para una supresión de la intensidad al no considerar la temperatura de operación constante, muestra la dependencia de las fracciones de los componentes con la lenta variación de la velocidad de la reacción de reformado. A su vez, esta lenta variación de la velocidad de reacción de reformado se explica por su dependencia con la temperatura de la pila, la cual posee una constante de tiempo térmica elevada. Además, el valor en régimen permanente que alcanza la temperatura afecta al correcto funcionamiento de la pila, pues se requiere una temperatura alta (superior a 600ºC) para alcanzar una conductividad suficiente del electrolito. Respecto a la variación con el tiempo del voltaje de circuito abierto (correspondiente a una corriente eléctrica nula) en régimen permanente se obtiene un voltaje superior al inicial. Sin embargo, el valor máximo del perfil de voltaje se obtiene inicialmente con la supresión de intensidad y luego desciende lentamente hasta estabilizarse debido al efecto de la temperatura. En el caso de la rampa de intensidad, los flujos molares de metano y vapor de agua de entrada a la pila son directamente proporcionales a la intensidad y la temperatura disminuye ligeramente con el tiempo hasta estabilizarse, no afectando al estado fundido del electrolito. La evolución del voltaje, a pesar de mostrar un fuerte incremento inicial, aumenta ligeramente con el tiempo siendo su variación menos significativa que la variación de la intensidad. Esto se confirma con la evolución de la potencia generada por la pila de carbonato con el tiempo, pues es prácticamente proporcional a la intensidad aplicada y apenas representa la variación de voltaje. Por ello, a partir de una potencia demandada a la pila de carbonato puede establecerse un valor de intensidad

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proporcional a dicha potencia demandada y que con estos valores de intensidad, la pila de carbonato genere una potencia similar a la deseada.

Las acciones futuras de este trabajo se pueden centrar en el control del sistema de la pila de carbonato fundido a partir del modelado matemático dinámico, siendo de especial interés la obtención de un voltaje de salida de la pila constante como se indicó en la introducción del modelo mencionado. El uso de un modelo dinámico permitirá obtener la evolución con el tiempo de los parámetros necesarios a emplear en el cálculo de los controladores del sistema para llevar a cabo su implementación. Además, el estudio dinámico se puede abarcar de forma más realista al considerar la variación con el tiempo de las presiones totales en los electrodos (supuestas atmosféricas en este estudio) e incluir la dinámica en ciertos equipos tales como la cámara de combustión catalítica.

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