Un vistazo al sistema de pila de combustible "Performance Warrior"

Esto significa que la industria tiene una respuesta más clara a la pregunta fundamental de "¿Qué es un buen sistema de pila de combustible?". El sistema de pila de combustible responde a esta pregunta con acciones prácticas. Centrándose en los dos escenarios principales de la automoción y la generación de energía, el Dr. Hou Junbo lideró el equipo técnico para optimizar el diseño y la iteración del proceso de indicadores clave como la estabilidad del sistema, la fiabilidad, el consumo de hidrógeno, la tasa de fallos y la vida útil, y entregó a la industria dos excelentes productos: un sistema de motor para automóviles y un sistema de generación de energía mediante almacenamiento de hidrógeno.

En el sector automotriz, hemos completado el desarrollo de una serie de sistemas de motores de pila de combustible con un rango de potencia de 30 kW a 235 kW, que pueden utilizarse ampliamente en muchos vehículos, como turismos, autobuses urbanos, camiones ligeros, medianos y pesados, carretillas elevadoras, remolques, maquinaria de construcción, etc.

Productos de motores de pila de combustible para automóviles (70 kW a la izquierda, 235 kW a la derecha)

Entre ellos, 17 autobuses de pila de combustible de hidrógeno equipados con sistemas a bordo modelo HYPSR-04 de 70 kW han proporcionado recientemente datos operativos impresionantes: estos 17 autobuses han estado funcionando de forma continua durante casi un año y medio en el condado de Jiashan, ciudad de Jiaxing, provincia de Zhejiang, con un kilometraje total de 800.000 kilómetros y un consumo medio de hidrógeno de 3,7 kg/100 km, que es muy inferior a la media del sector de 5 kg/100 km, lo que demuestra ventajas significativas para ayudar a la transformación del transporte público de la ciudad de Jiashan hacia el ahorro energético y la protección del medio ambiente.

Autobús del condado de Jiashan

Además del costo de compra, el consumo de energía por cada 100 kilómetros es uno de los indicadores económicos más importantes del vehículo. Para lograr la comercialización de vehículos de pila de combustible, además de promover continuamente la reducción de costos en todos los eslabones de la cadena, es fundamental disminuir el costo de operación del vehículo y reducir el consumo de hidrógeno para mejorar la eficiencia del combustible. Los datos de operación de bajo consumo de hidrógeno demuestran su sólida base técnica en el sistema de pila de combustible y la optimización de la potencia del vehículo.

Además, la baja tasa de fallos es otro aspecto destacable de este lote de autobuses en funcionamiento. El sistema de pila de combustible de hidrógeno de 70 kW no solo satisface las necesidades de la operación diaria de los autobuses, sino que también proporciona una potencia estable y eficiente durante un uso prolongado y frecuente, sin fallos significativos, lo que verifica su adaptabilidad a condiciones viales complejas y a cambios climáticos.

El kilometraje total es de 800.000 kilómetros y el consumo medio es de tan solo 3,7 kg/100 kilómetros. Su funcionamiento impecable en diversos entornos es la mejor prueba de la fiabilidad y practicidad de nuestra tecnología de pilas de combustible de hidrógeno, y demuestra su enorme potencial. La aplicación de las pilas de combustible de hidrógeno tiene un impacto significativo en la ciudad de Jiashan y en todo el sector del transporte público, y constituye un referente importante para que otras ciudades adopten autobuses de energía limpia.

Los vehículos de nueva energía siempre plantean interrogantes sobre su estabilidad y fiabilidad en las primeras etapas de desarrollo, y los vehículos de pila de combustible de hidrógeno no son una excepción. Cada lote de vehículos lanzado por las empresas de pilas de combustible no solo se enfrenta a pruebas de rendimiento en el mercado, sino también a la confianza de los gobiernos locales y los operadores en dichas empresas e incluso en toda la industria.

Para fabricar productos en los que el mercado pueda confiar y garantizar la estabilidad y durabilidad del sistema de pila de combustible para automóviles, Liyuan Technology ha dedicado esfuerzos y conocimientos extraordinarios al diseño de la arquitectura del sistema, el mecanismo de diagnóstico de fallos y la monitorización del estado operativo, asegurando que cada eslabón esté perfeccionado, utilizando el poder de la ciencia y la tecnología para construir la base de la calidad y haciendo de la seguridad y la fiabilidad un sello distintivo del producto.

"Hemos desarrollado un sistema de diagnóstico de fallas en el control del motor que permite diagnosticar rápidamente los principales tipos de fallas, como presión anormal en el flujo de aire, diferencia excesiva de presión hidrógeno-aire, presión anormal de hidrógeno, baja presión en el circuito de refrigerante, alta temperatura del refrigerante y bloqueo de la válvula de drenaje. Además, hemos implementado un mecanismo de respuesta de protección para fallas que podrían tener consecuencias graves, con el fin de evitar daños a la pila en la medida de lo posible", señaló el Dr. Hou Junbo.

Al mismo tiempo, cada sistema de pila de combustible a bordo está integrado con TBOX (véase la figura inferior), que puede monitorizar y alertar al sistema de control en tiempo real sobre ciertas degradaciones del rendimiento a largo plazo, y cuenta con estrategias de recuperación de fallos correspondientes. El sistema de carga de datos en tiempo real basado en TBOX permite monitorizar de forma remota el estado operativo del sistema de motor de pila de combustible y realizar la resolución remota de problemas. Asimismo, el conjunto de datos operativos, en constante expansión, se puede utilizar para analizar, aprender y extraer la información de fallos que contiene, y mejorar continuamente el mecanismo de diagnóstico inteligente basado en datos.

Sistema de monitorización remota de terminales TBOX

No cabe duda de que, gracias a su alta estabilidad, bajo consumo de hidrógeno y características de durabilidad del sistema de pila de combustible, este "recién llegado" a la tecnología de pilas de combustible ha abierto las puertas al mercado de vehículos de hidrógeno, valorado en billones de dólares.

Además de las aplicaciones en el sector automotriz, las aplicaciones de generación de energía fija también constituyen uno de los escenarios de aplicación que continúan desarrollándose. GGII prevé que para 2030, la capacidad instalada acumulada de generación de energía mediante almacenamiento de pilas de combustible en el país alcanzará los 5 GW, y el mercado incremental para los sistemas de generación de energía mediante pilas de combustible entre 2023 y 2030 superará los 24.000 millones de yuanes.

Centrándose en los cuatro aspectos clave de modularización, inteligencia, estabilidad, durabilidad y fiabilidad, los sistemas fijos de generación de energía ya han llegado al mercado del almacenamiento de energía de hidrógeno.

La potencia nominal del módulo generador de energía del armario es de 100 kW y la salida es de 380 V CA; la potencia nominal del módulo del contenedor es de 1 MW y la salida es de 10 kV CA.

Módulo de generación de energía tipo gabinete (izquierda), módulo de generación de energía tipo contenedor (derecha)

El módulo de generación de energía puede operar de forma independiente y admite la expansión en paralelo de múltiples módulos. Combinado con transformadores y unidades de almacenamiento de energía, permite implementar de forma flexible una capacidad elástica de generación de energía distribuida de 100 kW a 100 MW. Se caracteriza por su producción estandarizada, transporte integrado y montaje sencillo en obra.

En segundo lugar, cada módulo de generación de energía cuenta con funciones de control independientes y autónomas, lo que garantiza la inteligencia de todo el sistema de generación de energía para lograr el objetivo de reducir el consumo y la atenuación del hidrógeno.

El módulo tipo contenedor incorpora cuatro sistemas de pilas de combustible. El controlador de la microrred recibe comandos externos y envía señales de control a cada sistema de pila de combustible y al inversor. Cuando varios módulos operan en paralelo, los datos de funcionamiento de cada sistema de pila de combustible se transmiten al nivel del módulo y se conectan al sistema integral de gestión inteligente de energía a alta velocidad y en tiempo real para lograr una programación centralizada basada en la nube y una operación y mantenimiento remotos.

El sistema inteligente de gestión de energía puede optimizar la potencia de salida de cada pila de combustible en tiempo real a nivel de pila, mejorar la eficiencia promedio de cada pila, reducir el consumo total de hidrógeno del sistema y tener en cuenta la limitación de la tasa de fluctuación de potencia para retrasar la disminución del rendimiento de la pila. A nivel del sistema, el sistema de gestión de energía tiene la función de auto-adaptar el modo de consumo de energía, que puede ajustar automáticamente el modo de generación de energía óptimo según las características de consumo de energía para evitar arranques y paradas frecuentes, cambios frecuentes de carga y otras condiciones de alta pérdida.

En tercer lugar, las aplicaciones de generación de energía fija tienen requisitos extremadamente altos en cuanto a la estabilidad y durabilidad de los productos de celdas de combustible. Liyuan Technology ha realizado optimizaciones desde el nivel de material y componente hasta el nivel de sistema. Por ejemplo, mediante la selección de materias primas clave como PEM, GDL, catalizador y la optimización estructural del MEA, el equipo de I+D de electrodos de membrana ha desarrollado un electrodo de membrana con una estructura de marco de cuatro capas, que puede proporcionar el MEA de larga duración requerido para centrales eléctricas fijas; al optimizar las estrategias de respuesta del sistema bajo condiciones de arranque-parada, carga variable, carga alta/baja y otras condiciones de funcionamiento, se evita la pérdida de materiales como la membrana de intercambio de protones, el catalizador, la capa de difusión de gas, etc., y se extiende la vida útil del conjunto.

En cuarto lugar, a nivel de diseño y control del sistema, se utilizan diversos métodos de forma combinada para mejorar la fiabilidad de la pila de combustible.

Se desarrolló un método de control coordinado para el compresor de aire y la válvula de contrapresión del sistema de suministro de aire, que permite desacoplar el flujo de aire y la presión de admisión, de modo que ambos puedan responder a las necesidades del sistema de forma rápida y precisa, manteniendo una gran robustez incluso cuando las condiciones de trabajo y ambientales cambian considerablemente, evitando así daños en la chimenea debido a un suministro de aire insuficiente en condiciones de carga variables.

Se desarrolló un método de control de bucle cerrado adaptativo con válvula proporcional de eyector de hidrógeno para el sistema de circulación de hidrógeno, que coincide con precisión con el momento de apertura de la válvula de descarga de hidrógeno y el cambio de apertura de la válvula proporcional, y puede suprimir eficazmente la fluctuación de presión en ambos lados del electrodo de membrana causada por la apertura de la válvula de descarga de hidrógeno, reduciendo en gran medida el riesgo de perforación del electrodo de membrana.

Se diseñó un observador de estado para el contenido de agua de la membrana, que estima el contenido de agua líquida en los lados del ánodo y del cátodo de la pila basándose en la estimación del flujo de hidrógeno del ánodo y la diferencia de presión de entrada y salida de la pila del cátodo, y controla el contenido de agua de la membrana en tiempo real dentro de un rango razonable ajustando el tiempo de apertura de la válvula de descarga de hidrógeno y la relación de exceso de aire, reduciendo eficazmente la frecuencia de fallas por secado e inundación de la membrana.

"Nuestro sistema de generación de energía mediante pilas de combustible puede ser realmente estable y fiable, y es adecuado para centrales eléctricas fijas de diversos tamaños", concluyó Liyuan Technology.

Se entiende que, en el proyecto de demostración de energía inteligente con cero emisiones de carbono en el área de la fábrica de la empresa, el proyecto de la central eléctrica que utiliza electrólisis del agua para producir hidrógeno + tecnología de generación de energía mediante pilas de combustible está funcionando de manera estable, con una eficiencia de conversión de electricidad a hidrógeno y viceversa del 35%, lo que representa una clara ventaja de eficiencia en la industria.

En el sector, el almacenamiento de energía de hidrógeno, como tecnología de almacenamiento de energía a largo plazo, se ha incluido en el programa oficial de apoyo a las nuevas tecnologías de almacenamiento de energía. Se prevé que la reducción de los costes de producción, almacenamiento y transporte de hidrógeno impulse el uso de dispositivos de generación de energía distribuida.

Si bien la aplicación de la generación de energía mediante pilas de combustible aún se encuentra en sus primeras etapas de desarrollo y enfrenta muchas dificultades y desafíos que deben superarse, como pionera en la industria, ha explorado a fondo escenarios de aplicación con una visión de futuro y pasos firmes, superando las dificultades técnicas una a una, allanando un camino sólido para el desarrollo de aplicaciones de generación de energía mediante pilas de combustible.