celdas de combustibles para aplicaciones fijas: retos...

Grupo deHidrógeno y

Celdas de Combustible

Celdas de Combustibles para Aplicaciones Fijas:Retos para su amplio Uso



Taller Retos Tecnico-Económicos del Sectro EnergéticoCiudad Universitaria, México D.F.

Noviembre 2006

Hydrogen andFuel Cells Group



Contenido

1. La Tecnología: estado del arte2. Retos Científicos (MEA)3. Retos - Nivel Conjuntos (Stacks)4. Retos - Nivel Sistemas5. Reto – Combustible e Infraestructura6. Metas p/Tecnología Competitiva (incl. $$$$$)

2



1. La Tecnología: estado del arteCelda de Combustible = Generador de energía eléctricaenergía química � energía eléctrica sin combustiónoperación continua, muy eficiente, limpia, silenciosa

3



OtrosPortátil

GeneraciónComercial

GeneraciónResidencial

TransportePasajeros

Transporte/Propulsión Especial

Aplicaciones…

4



desarrollo<40%

60–90CPortátil,

electrónicosmW – 100WMetanol MDFC

60%60% -- 85% 85% 650650--1000C1000C

60%60% -- 85% 85% 600600--700C700C

80 - 85%150-200C

60 – 70%90-100C

~50%50–80C

Eficiencia Top

demostra-ción,

comercial

Portátil,Respaldo, GD,

Transporte<1W – 250kWMembrana

PEM

desarrolloAPU, GC, GD5kW - 3MWÓxido Sólido SOFC

desarrollo, comercialGD, GC<1kW – 1MWCarbonatos

MCFC

comercialGD50kW – 1MWÁcido

FosfóricoPAFC

maduraAeroespacial, militar10kW-100kW

AlcalinaAFC

MadurezAplicacionesCapacidadTipo de Celda



MEA(Ensamble Membrana-Electrodo)

Conjuntos de MEA´s (STACK)

Balance de Planta (BOP)

Sistema de Control

Acondicionamiento de PotenciaH2

Sistema de Celda de Combustible



A.Tratamiento Químico de Membranas

B.Preparación y Aplicación

de Tinta Catalizadora

C.Tratamiento

Hidrofobicidada Difusores

D.Tratamiento

Termo-Mecánico de

MEA’s

E.Activación

Electroquímica de MEA’s

F.F.Diseño y Diseño y

Manufactura Manufactura de Placasde Placas

BiBi y y MonopolaresMonopolares

G.Diseño y

Fabricación del Sistema de Sellado Manifoldp/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

IIEIIE

IIE

IIENivel 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

7



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”

8



Fabricación de MEA’s con microestructura 3Dhomogénea de electrodos

Celdas de Membrana PEM

9



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)

Vol

taje

(V)

DUPONT GORE ELECTROCHEM IIE

10



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:Membranas y MEA’s = (IIE, ANL, CALTECH, IFCI, UBC)

11



Celdas de Óxidos Sólidos (SOFC)

• Materiales vs. corrosión• Estabilidad térmica• Sellos• Catalizadores

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3. Retos - Nivel Componentes p/ConjuntosMejor 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 BiBi y Mono polaresy Mono polares•• SellosSellos•• Conectores de Gas (Conectores de Gas (manifoldsmanifolds))•• Conectores EléctricosConectores Eléctricos•• SoportesSoportes•• IngenieríaIngeniería



Modelado y Simulación

• Diseño (Gas, Manejo agua, cond. ope.)• Menos trabajo experimental• Definición Criterios Control• Balance de Planta



Configuración de celdas impone distintos diseños y enfoques en BOP



4. Retos - Nivel Sistemas



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

BALANCE DE PLANTA (BOP)



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Combinación de celdas y turbinapara aumentar eficiencia



SISTEMAS HÍBRIDOS



Retos

Celdas de Alta TemperaturaMejorar los Sistemas de Recuperación de Calorpara um efectivo CHP such as through regenerating

dessiccants in a desiccant cooling cycle) also need to beevaluated



0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 650

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

551000/251000/60800/55600/50400/45200/40MPPstack

I [A

]

E [V]

��

�

��

��

��

⋅+−−=

�

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��

�

��

��

�

�

� � � � � � � � �

� � � � � � � � � 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 01 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 00

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 00

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 00

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 H 2 m e d i d o a l as 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 ad 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 )

Volta

je V

cd (V

olts

)

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 lG e n e r a d o r d e H i d r ó g e n o ( H o g e n )

Cor

rien

te d

irect

a (A

mpe

res)

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

Volta

je d

irect

o (V

olts

)


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

Cor

rien

te d

irec

ta (A

mpe

res)

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 00

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

Fluj

o (lt

s/hr

)


SISTEMASRENOVABLES



Resúmen Retos Sistemas

Componentes específicamente diseñados (BOP)Electrónica de potenciaSistemas APUManejo de Agua y CalorAbastecimiento y Almacenamiento de CombustibleCostosNormatividad - Seguridad



5. Reto - Combustible

Generación: costos, métodos alternostradicional Reformación GN – escalarelectróli$i$ - reducir costo energía eléctrica

Almacenamiento:Gas Comprimido = equipo y tecnología(compresores y tanques p/ P > 2,300psi)

Licuado = tecnología p/disminuir pérdidas de H2

Sólido = mayor capacidad, menor peso, mayor flexibilidad



.

5. Reto – Combustible…

Distribución de combustible:H2 gas ó licuado requiere desarrollo de infraestructuraCombustibles que contengan H2 – corto plazo

Sistemas de Transferencia de H2:Compresores, Boquillas, etc.

Normatividad para garantizar desempeño y Seguridad



COSTO INICIAL

Motor automotriz de CI ~ $25-$35/kWMeta de las CC = $30/kW

(60% eficiente)

Sistemas Estacionarios $400-$750/kW para comercialización ($1000/kW inicial)

6. Metas p/Competitividad (incl. $$$$$*)

*montos en USD



Motor automotriz de CI = 60% eficiente

Sistemas Estacionarios = 40% eficiencia, operación com GN, GLP

Metas



DURABILIDAD Y CONFIABILIDAD = No establecida

Transporte = motores CI, i.e., 5,000 hrs (150,000 millas) 40°C - 80°C

Aplicaciones Estacionarias > 40,000 hrs -35°C - 40°C



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/kgdensidad de potencia = 100W/L



• 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 – Hidrógenoel par



CONCLUSIONES

Principales Retos

Infraestructura Almacenamiento de CombustibleCostos a corto plazo competitivosDurabilidad ( > experiencia)Apertura de MercadosInstitucionales (normatividad, etc.)

celdas de combustibles para aplicaciones fijas: retos...

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