High temperature PEM fuel cells usage for combined heat and power comfort applications

Comunicación presentada a las XXXIX Jornadas de Automática, celebradas en Badajoz del 5 al 7 de Septiembre de 2018 y organizada por la Universidad de Extremadura.Debido a la importancia a escala mundial de la escasez de energía y los efectos del cambio climático están emergiendo alternativas a las fuentes de energía clásicas como los combustibles fósiles y las centrales de energía nuclear de fusión. En este contexto se encuadran las técnicas de “combined heat and power" como una posible solución debido a su capacidad para generar energía eléctrica y térmica de manera más eficiente que los métodos convencionales. Respecto a esto, las pilas de combustible de alta temperatura con membrana de intercambio de protones permiten implementar sistemas de “combined heat and power" además de tratarse de una tecnología eficiente y con menor impacto en la producción de gases de efecto invernadero. En este artículo se describe un sistema de gestión de energía para un modelo simple basado en una pila de combustible usando control predictivo. Para ello se presentan las características de la pila y su contribución a la solución de la problemática energética actual en primer término. Posteriormente, se describe una modelización y control de bajo nivel de la pila y sus subsistemas de generación de calor y electricidad y, finalmente, un problema de control predictivo es propuesto como un método de gestión del calor y energía eléctrica que cumpla una determinada demanda residencial.Due to energy shortage and climate change e_ects world-wide, several alternatives to classical energy sources such as fossil fuels and nuclear fission power plants have arisen. In this context, combined heat and power appear as one of the possible solutions because of its ability to generate electrical and thermal energy more efficiently than conventional methods. Regarding this, high temperature proton exchange fuel cells enable the implementation of combined heat and power systems and have a lesser impact in the production of green- house effect gases to the one by conventional energy sources. In this article, an energy management system for a fuel-cell-based simple model controlled using predictive control is detailed. First of all, fuel cell characteristics as well as its contribution to the solution of the current energy problem are presented. Later on, modeling and low level control of the fuel cell and its heat and electricity generation subsystems are described and, finally, the proposed model predictive control problem is shown as a way to manage heat and electrical energy to fulfil a concrete residential demand.Spanish national project MICAPEM (ref. DPI2015- 69286-C3-2-R, MINECO/FEDER). Spanish State Research Agency through the María de Maeztu Seal of Excellence to IRI (MDM-2016-0656). AGAUR of Generalitat de Catalunya through the Advanced Control Systems (SAC) group grant (2017 SGR 482).peerReviewe