Grupo de
Celdas de Combustibles para Aplicaciones Fijas:
Retos para su amplio Uso
Grupo de
Taller Retos Tecnico-Económicos del Sectro Energético Ciudad Universitaria, México D.F.
Hydrogen and Fuel Cells Group
Grupo de
Contenido
1. La Tecnología: estado del arte
2. Retos Científicos (MEA)
3. Retos - Nivel Conjuntos (Stacks)
4. Retos - Nivel Sistemas
5. Reto – Combustible e Infraestructura
Grupo de
1. La Tecnología: estado del arte
Celda de Combustible = Generador de energía eléctrica energía química energía eléctrica sin combustión
Grupo de Otros Portátil Generación Comercial Generación Residencial Transporte Pasajeros Transporte/Propulsión Especial Aplicaciones…
Grupo de desarrollo <40% 60–90C Portátil, electrónicos mW – 100W Metanol MDFC 60% 60% - 85% - 85% 60% 60% - 85% - 85% 600 600--700C700C 80 - 85% 150-200C 60 – 70% 90-100C ~50% 50–80C Eficiencia Top demostra-ción, comercial Portátil, Respaldo, GD, Transporte <1W – 250kW Membrana PEM desarrollo APU, GC, GD 5kW - 3MW Óxido Sólido SOFC desarrollo, comercial GD, GC <1kW – 1MW Carbonatos MCFC comercial GD 50kW – 1MW Ácido Fosfórico PAFC madura Aeroespacial, militar 10kW-100kW Alcalina AFC Madurez Aplicaciones Capacidad Tipo de Celda
Grupo de MEA
(Ensamble Membrana-Electrodo)
Conjuntos de MEA´s (STACK)
Balance de Planta (BOP)
Sistema de Control
Acondicionamiento de Potencia
H
Grupo de A. Tratamiento Químico de Membranas B. Preparación y Aplicación de Tinta Catalizadora C. Tratamiento Hidrofobicidad a Difusores D. Tratamiento Termo-Mecánico de MEA’s E. Activación Electroquímica de MEA’s F. F. Diseño y Diseño y Manufactura Manufactura de Placas de Placas Bi Biy y Monopolares Monopolares G. Diseño y Fabricación del Sistema de Sellado Manifold p/Gases H. Integración y Pruebas de Stack
Ruta General de un Sistema de Celda de Combustible
I. Diseño e Integración del Balance de Planta J. Evaluación del Sistema Integrado p/definición de Control K. Diseño y Realización del Sistema de Control L. Pruebas del Sistema Integrado con Control LL. Fabricación del Circuito de Control M. Definición e integración del APU O. Pruebas Beta N. Acondicio-namiento de Potencia 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 t /m 0 IIE IIE IIE IIE IIE Nivel 1 – MEA´s Nivel 2 – Placas Nivel 3 – Stacks Nivel 4 – BOP Nivel 5 – Control
Nivel 6 – Admon. Energía
Nivel 7 – Acond. Potencia Nivel 8 – Beta Testing
Grupo de
2. Retos Científicos
Materiales con Mejores Propiedades a menor costo
- electrolito: mayor conducción iónica, baja degradación - electrodos: estabilidad
- habilidad p/operar a mayores T’s
- catalizadores resistentes a CO y azufre, metales no nobles y bajas cargas
- técnicas de manufactura simples y baratas - placas bipolares: “fabricabilidad”
Grupo de
Fabricación de MEA’s con microestructura 3D homogénea de electrodos
Grupo de
Curvas de rendimiento comparativas de MEA´s de varios tecnológos 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 Corriente (mA/cm2) V ol ta je (V )
Grupo de
Otras líneas de investigación (PEM)
• Identificar y desarrollar ionómeros (conductividad, mecánicas y químicas a bajo costo)
• Mecanismos de fallas de CC
• Procesos escalables de fabricación de membranas, electrodos, MEA´s, placas bipolares
• Catalizadores y materiales soporte con matweriales no preciosos y bajo contenido
• Membranas para alta T (120°C), baja %HR (<10%
Caso México:
Grupo de
Celdas de Óxidos Sólidos (SOFC)
• Materiales vs. corrosión • Estabilidad térmica
• Sellos
Grupo de
3. Retos - Nivel Componentes p/Conjuntos
Mejor Diseño e Ingeniería
- componentes más efectivos: placas bipolares, difusores - mejor ingeniería p/procesos homogéneos (CFD)
- mejor ingeniería p/manejo de agua (humid, gen, evap, purga) - mejor ingeniería p/manejo de calor (disipación, ctrl, intercam)
•
• Ensambles Membrana Ensambles Membrana ––ElectrodoElectrodo •
• Difusores de GasDifusores de Gas •
• Placas Placas BiBiy Mono polaresy Mono polares •
• SellosSellos •
• Conectores de Gas (Conectores de Gas (manifoldsmanifolds)) •
• Conectores EléctricosConectores Eléctricos •
• SoportesSoportes •
Grupo de Modelado y Simulación
• Diseño (Gas, Manejo agua, cond. ope.) • Menos trabajo experimental
• Definición Criterios Control • Balance de Planta
Grupo de
Configuración de celdas impone distintos diseños y enfoques en BOP
Grupo de
Grupo de
Tecnología, Conceptos p/Diseño e Ingeniería
- compresores e intercambiadores de calor ad hoc - válvulas c/actuación
- sensores
- estrategias de control
- modelos (simluación, emulación y validación) - electrónica de potencia (c.d./c.d., inversores, - mejorar densidad energética (masa/vol.)
- técnicas de diagnóstico (p/prevención y corrección) - filosofía de operación de la planta
Grupo de
Combinación de celdas y turbina para aumentar eficiencia
Grupo de
Grupo de
Retos
Celdas de Alta Temperatura
Mejorar los Sistemas de Recuperación de Calor
para um efectivo CHP such as through regenerating
dessiccants in a desiccant cooling cycle) also need to be evaluated
Grupo de 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 1000/25 1000/60 800/55 600/50 400/45 200/40 MPP stack I [ A ] ⋅ + − − = Sistema Solar-Hidrógeno (PV– 2.4kW, @48V, stack – 1m3/hr) 7 0 6 0 7 0 7 0 7 0 8 0 7 0 9 0 7 1 0 0 7 1 1 0 7 1 2 0 1 2 0 1 4 0 1 6 0 1 8 0 2 0 0 2 2 0 2 4 0 7 0 6 0 7 0 7 0 7 0 8 0 7 0 9 0 7 1 0 0 7 1 1 0 7 1 2 0 0 5 1 0 1 5 2 0 2 5 3 0 3 5 4 0 7 0 6 0 7 0 7 0 7 0 8 0 7 0 9 0 7 1 0 0 7 1 1 0 7 1 2 0 0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 7 0 6 0 7 0 7 0 7 0 8 0 7 0 9 0 7 1 0 0 7 1 1 0 7 1 2 0 0 2 0 4 0 6 0 8 0 1 0 0 1 2 0 1 4 0 1 6 0 F l u j o d e g a s H2 m e d i d o a l a s a l i d a d e l s i s t e m a g e n e r a d o r V o l t a je d e a l im e n t a c i o n e n C .A . d e t o d o e l s i s t e m a d e l G e n e r a d o r d e h i d r ó g e n o ( H o g e n ) Vo lta je V cd (V ol ts ) T i e m p o ( s e g u n d o s ) C o r r i e n t e d e l S i s t e m a e n C .A . d e l G e n e r a d o r d e H i d r ó g e n o ( H o g e n ) C or rien te d ire ct a (A m pe re s) T i e m p o ( S e g u n d o s ) V o l t a j e d i r e c t o d e a l i m e n t a c i o n d e l S t a c k d e c e l d a s Vo lta je d ire ct o (V ol ts) T i e m p o ( s e g u n d o s ) C o r r i e n t e d i r e c t a d e a l i m e n t a c i o n d e l S t a c k d e c e l d a s C or rien te d irec ta (A m pe re s) T i e m p o ( S e g u n d o s ) 7 0 6 0 7 0 7 0 7 0 8 0 7 0 9 0 7 1 0 0 7 1 1 0 7 1 2 0 0 2 0 0 4 0 0 6 0 0 8 0 0 1 0 0 0 1 2 0 0 1 4 0 0 1 6 0 0 1 8 0 0 2 0 0 0 Fl ujo (lt s/ hr ) T i e m p o ( s e g u n d o s ) SISTEMAS RENOVABLES
Grupo de
Resúmen Retos Sistemas
Componentes específicamente diseñados (BOP) Electrónica de potencia
Sistemas APU
Manejo de Agua y Calor
Abastecimiento y Almacenamiento de Combustible Costos
Grupo de
5. Reto - Combustible
Generación: costos, métodos alternos tradicional Reformación GN – escalar
electróli$i$ - reducir costo energía eléctrica Almacenamiento:
Gas Comprimido = equipo y tecnología
(compresores y tanques p/ P > 2,300psi)
Licuado = tecnología p/disminuir pérdidas de H2
Grupo de
.
5. Reto – Combustible…
Distribución de combustible:
H2 gas ó licuado requiere desarrollo de infraestructura Combustibles que contengan H2 – corto plazo
Sistemas de Transferencia de H2:
Compresores, Boquillas, etc.
Grupo de
COSTO INICIAL
Motor automotriz de CI ~ $25-$35/kW
Meta de las CC = $30/kW
(60% eficiente)
Sistemas Estacionarios $400-$750/kW para comercialización ($1000/kW inicial)
6. Metas p/Competitividad (incl. $$$$$*)
Grupo de
Motor automotriz de CI = 60% eficiente
Sistemas Estacionarios = 40% eficiencia, operación com GN, GLP
Grupo de
DURABILIDAD Y CONFIABILIDAD = No establecida
Transporte = motores CI, i.e., 5,000 hrs (150,000 millas) 40°C - 80°C
Grupo de
Reducción de Tamaño y Peso:
stacks, auxiliares y subsistemas principales (e.g., procesor de combustible, compresor/expansor, sensores, etc. Balance de Planta (BOP).
DENSIDAD DE POTENCIA y ENERGÍA
Aplicaciones electrónicas (<50W)
densidad energía = 1,000Wh/L
APU (3-30kW)
Potencia específica = 1,00W/kg
Grupo de
• ahorro de energéticos (económicos)
• ahorro en $ operación & mnto. (económicos)
• < infraestructura GD (economía)
• reducción emisiones (ambiente, salud– económicos)
• > duración en portátiles
∴
> productividad
• oportunidad p/nuevos negocios
actividad $
Celdas de Combustible
–
Hidrógeno
Grupo de
