La utilización de pilas de combustible de membrana polimérica (PEMFC) para uso residencial

El concepto de generación de energía distribuida, en particular dentro del rango de 1-100 kW de potencia, es un factor decisivo en el escenario de energía del futuro y se caracteriza por la producción de esta con ventajas considerables tanto para los proveedores como para los usuarios finales de la misma. Incluye el suministro de gas, electricidad, calefacción y aire acondicionado con ventajas considerables en términos de coste. Además, gracias a la posibilidad de disminuir las pérdidas de transmisión en la red eléctrica y las reducciones drásticas de las emisiones de gases contaminantes (NO_x, SO, CO₂, etc), la generación distribuida representa una interesante alternativa al actual modelo de producción de energía centralizado.

Autor: [Pilar Ocón-Universidad Autónoma de Madrid]

El sistema de pilas de combustible garantizar tanto la alta eficiencia de conversión de energía química en eléctrica como la reducción del impacto ambiental de los productos generados. Por lo tanto, estos dispositivos pueden ser utilizados para producir energía in situ para el abastecimiento, de la cada vez mayor demanda energética por microgeneración. Los sistemas de pilas de combustible pueden trabajar en este escenario futuro, ya sea a corto y/o a medio plazo, utilizando gas natural o a largo plazo mediante la explotación de fuentes de energía renovables.

El trabajo de V. Antonucci y colaboradores, ilustrar la arquitectura y el funcionamiento de un sistema de pilas de membrana polimérica (PEMFC) de 5 kW de celdas de combustible para uso en viviendas residenciales, desarrollado por Nuvera FC y el CNR-ITAE, y se centra tanto en el rendimiento del sistema  como en los principales parámetros característicos, realizando evaluaciones además de pruebas de resistencia.

Un sistema de 5-kW (PEMFC) puede considerarse como un producto pre-comercial, las conclusiones del estudio permiten entrever tanto los límites como la potencialidad a medio y largo plazo para la aplicación a gran escala de dichos sistemas de pilas de combustible. Tanto la evaluación de la eficiencia como la pérdida de funcionamiento del stack y del sistema en su conjunto son las características que un cliente considera en términos de rentabilidad de una inversión de dichos dispositivos en comparación con otras soluciones técnicas disponibles en el mercado.

En este estudio, los métodos estándar descritos en la literatura de pilas de combustible se utilizan para identificar ambos parámetros, además de otros como tiempo de respuesta y capacidad de autodesarrollo del funcionamiento.    

Se realizan pruebas con el fin de identificar las características e inconvenientes del sistema PEMFC en condiciones reales de funcionamiento por ejemplo: cargas extremadamente variable e integración a la red eléctrica. El objetivo es desarrollar un sistema duradero y fiable que se pueda comercializar a corto y medio plazo. Los resultados del examen de una PEMFC de 5-kW en condiciones reales de funcionamiento aplicable a una vivienda son reportados. En conclusión, las pruebas demuestran que:

• El sistema es capaz de suministrar potencia dentro de un rango de 0-5 kW y permitir la puesta en marcha y apagado de forma automática.
• La eficiencia varía considerablemente con cargas bajas, pero es generalmente constante y aproximada a un 50%, cuando los niveles de energía están comprendidos entre 2,5 y 5,0 kW.
•  La respuesta a cargas variables es comparable a las baterías, y la capacidad de respuesta a las variaciones extremas de estrés muestra un excelente potencial para el suministro de las cargas residenciales.

• Al llegar a 1000 horas de trabajo, no muestran reducción significativa en el rendimiento global del sistema. Un decrecimiento de 40 mV/h celda es observada y se concluye que deben realizarse mejoras significativas antes de implantarse.

• Se debe de aumentar la fiabilidad de los componentes electrónicos y el balance de planta: componentes como el tablero de control o el cartucho desionizador afectan gravemente las operaciones del sistema de pila, haciendo paradas inesperadas y poniendo en peligro la fiabilidad general.
• Se debe mejorar la gestión del agua en la pila y en todo el sistema.

Las pruebas realizadas han demostrado que los sistemas PEMFC alimentadas con hidrógeno pueden cumplir los requisitos de comercialización a corto plazo, en aplicaciones estacionarias.  

Más información:

M. Ferrano, F.Sergi, G. Brunaccini, L. Andaloro, V. Antonucci. Journal of Power Sources 193 (2009) 342.