Las pilas de combustible de óxido sólido rompen todos los récords de eficiencia

Las pilas de combustible de óxido sólido podrían convertirse en una interesante alternativa energética para abastecer entre 50 y 100 hogares, según los avances obtenidos con células integradas a sistemas de pequeña escala, en un esquema elaborado por especialistas del Pacific Northwest National Laboratory de Estados Unidos. Estas pilas alcanzan índices de eficiencia de alrededor del 57%.

El trabajo de los investigadores del Pacific Northwest National Laboratory ha sido difundido mediante una nota de prensa de este centro de investigación, así como a través de un artículo publicado en el medio especializado Journal of Power Sources.

El nuevo enfoque utiliza metano, componente principal del gas natural, como combustible. Todo el sistema relacionado con las pilas de combustible de óxido sólido fue simplificado para que fuese más eficiente, mediante el uso de tecnología desarrollada en el Pacific Northwest National Laboratory y avances anteriores en el marco de la Solid State Energy Conversion Alliance, del Departamento de Energía de Estados Unidos.

Según el ingeniero Vincent Sprenkle, uno de los directores de la investigación, las pilas de combustible de óxido sólido son una tecnología prometedora para el suministro de energía limpia y eficiente. Sin embargo, hasta el momento la mayoría de los desarrollos se han centrado en sistemas más grandes, capaces de producir un megavatio de potencia o más, con el objetivo de sustituir a las plantas tradicionales de energía.

Soluciones a pequeña escala

Por el contrario, esta investigación demuestra que los pequeños sistemas de pilas de combustible de óxido sólido que generan entre uno y 100 kilovatios de energía son una opción viable para la producción energética localizada de alta eficiencia. El sistema piloto que se construyó genera alrededor de dos kW de electricidad, esto es, la cantidad de energía que consume un hogar estadounidense típico.

Al mismo tiempo, el equipo del Pacific Northwest National Laboratory ha diseñado su sistema para que pueda ser ampliado, con el objetivo de producir entre 100 y 250 kW, lo que podría proporcionar energía a unos 50 a 100 hogares en Estados Unidos. De esta forma, un barrio o un emplazamiento concreto podría satisfacer sus necesidades energéticas mediante estas pilas de combustible de óxido sólido.

Los investigadores se plantearon como propósito principal diseñar un pequeño sistema que fuera capaz de superar el 50 por ciento de eficiencia y que sea realmente funcional para la generación y distribución de energía a escala micro. Para ello, el equipo utilizó por primera vez un proceso llamado reformado con vapor externo.

El reformado con vapor ha sido utilizado anteriormente en células de combustible, pero el método provoca diferencias de temperatura que potencialmente pueden debilitar y romper las células. De esta forma, los especialistas del Pacific Northwest National Laboratory optaron por el reformado con vapor externo, que completa las reacciones iniciales entre el vapor y el combustible fuera de las células.

Tecnologías innovadoras

El mencionado proceso requiere de un dispositivo llamado intercambiador de calor, donde una pared confeccionada con un material conductor separa dos gases. Precisamente, la clave para la eficiencia de este pequeño sistema de pilas de combustible de óxido sólido es el uso de una tecnología de microcanal desarrollada en los intercambiadores de calor por los ingenieros e investigadores norteamericanos.

En lugar de contar con una única pared que separa los dos gases, los intercambiadores de calor empleados en este caso tienen paredes múltiples. Esto aumenta la superficie a utilizar, permitiendo una mayor transferencia de calor y provocando que el sistema sea más eficiente.

El segundo aspecto que hace único a este sistema es su capacidad de reciclaje del vapor. Esto significa que el sistema no necesita un aparato eléctrico que caliente el agua para crear vapor. A la reutilización del vapor, que se mezcla con el combustible, también se agrega que el sistema es capaz de utilizar algunos de los restos de combustible generados en el proceso.

La combinación del reformado con vapor externo, el reciclaje de vapor y los intercambiadores de calor dotados de microcanales permite que este pequeño sistema de pilas de combustible de óxido sólido sea extremadamente eficiente.

Las pruebas de laboratorio demostraron una eficiencia neta del sistema que varió de un mínimo de un 48,2% (a 2,2 kW) a un máximo del 56,6% (a 1,7 kW). El equipo calcula que podría aumentar la eficiencia del sistema al 60% en el futuro, con algunos pequeños ajustes.