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Congreso Iberoamericano de Hidrógeno y Pilas de Combustible 2016

Torremolinos (Málaga) 20 – 22 Abril 2016

Unidad de Pilas de Combustible e Integración de Sistemas del Ciemat:

Capacidades y actividades

T. González Ayuso [email protected]

Unidad de Pilas de Combustible e Integración de Sistemas

(UPCIS), Departamento de Energía, Ciemat

mailto:[email protected]



CIEMAT CENTRO DE INVESTIGACIONES ENERGÉTICAS,

MEDIOAMBIENTALES Y TECNOLÓGICAS



QUIÉNES SOMOS

Unidad de Pilas de Combustible e Integración de Sistemas Tomás González

Dr. Antonio M. Chaparro Dra. Paloma Ferreira Dra. Mª Antonia Folgado Julio José Conde

Dra. María José Escudero Dra. Araceli Fuerte Dra. Concepción Caravaca Lorena Pérez Carcelén

Dr. Tomás González José Luis Serrano José Luis Ortiz David de Rafael Valdivia

Pilas de combustible de baja temperatura PEMFC

Pilas de combustible de alta temperatura SOFC

Integración de sistemas

Departamento de Energía

División de Combustión

CIEMAT



QUIÉNES SOMOS










CIEMAT Otros Departamentos - Laboratorio Nacional de Fusión. - Medio Ambiente. - Tecnología. - Investigación Básica.



QUIÉNES SOMOS










CIEMAT OTRAS DIVISIONES GABINETE DE APOYO UNIDAD DE ANÁLISIS DE SISTEMAS ENERGÉTICOS DIVISIÓN DE FISIÓN NUCLEAR DIVISIÓN DE ENERGÍAS RENOVABLES DIVISIÓN DE ALMERÍA - PLATAFORMA SOLAR DIVISIÓN CENTRO DE SORIA-CEDER



QUIÉNES SOMOS










CIEMAT

OTRAS UNIDADES UNIDAD DE VALORIZACIÓN ENERGÉTICA COMBUSTIBLES Y RESIDUOS UNIDAD DE MODELIZACION DE PROCESOS



UNIDAD DE PILAS DE COMBUSTIBLE

Julio 2015



CAPACIDADES

• Laboratorios – Laboratorio de preparación de componentes – Laboratorio de caracterización de componentes – Laboratorio de operación de pilas de combustible – Laboratorio de integración de sistemas – Laboratorio de electrónica y control de instrumentación – Taller de apoyo

• Equipos – Descritos en los laboratorios

• Servicios – Red Laboratorios de la CM en trámite – Servicios que se puedan realizar con nuestros equipos y técnicas

• Colaboraciones – Desarrollo de trabajos conjuntos con otros centros



LABORATORIOS POR ACTIVIDAD

• Laboratorio de preparación de componentes – Se desarrollan materiales y componentes de pilas de combustible. – Se trabaja en dos tipos de pilas de combustible: PEMFC y SOFC




• Laboratorio de preparación de componentes • Principales técnicas disponibles

– Tratamientos térmicos: estufas, hornos, muflas – Sinterización – Medida de la viscosidad – Impregnación en disolución (Rotavapor) – Prensado en frío y en caliente – Deposición de capas delgadas por Aerografía – Deposición de láminas delgadas por electrodeposición – Deposición de láminas delgadas por electropulverización – Equipo de Liofilización – Deposición de capas delgadas por Screen printing – Deposición de capas delgadas por colado en cinta (Tape casting)




• Laboratorio de caracterización de componentes

– Técnicas físicas, químicas. Técnicas electroquímicas

– Propiedades eléctricas de los componentes

– Propiedades catalíticas




• Laboratorio de caracterización de componentes

– Microscopía óptica

– Compresión de componentes

– Análisis químico, disgregación

– Análisis térmico gravimétrico y diferencial

– Espectrometría de masas de los gases desprendidos

– Espectrometría de masas en líquidos

– Dilatometría

– Deposición y medidas electroquímicas con electrodo rotatorio

– Medidas de conductividad eléctrica de los componentes a alta temperatura

– Espectroscopia de impedancia para el estudio de la interfase electrodo/electrolito.

– Propiedades electrocatalíticas de los componentes y cromatografía de gases




• Laboratorio de operación de pilas de combustible – Operación de PEMFC, MCFC, SOFC – Montaje de PEMFC, MCFC, SOFC




• Laboratorio de operación de pilas de combustible – Diferentes bancos de ensayos para PEMFC y para SOFC

• Dos estaciones de ensayo de microceldas SOFC • Estación de ensayo SOFC (hasta 1 kW en construcción) • Dos estaciones de ensayo de PEMFC (hasta 100 W) • Una estación PEMFC (hasta 1,5 kW) • Estación PEMFC (hasta 5 kW en Integración)

– Medidas de la tensión, corriente y potencia en función de los flujos de gases alimentados, H₂ y O₂,

– Control de Caudales, temperatura y presión en operación. – Influencia de la presencia de otros gases (CO₂, CH₄ y CO) e impurezas

(H₂S o H₃N) en el gas de alimentación. – Medida de prestaciones, curva característica, composición de gases

alimentados – Medidas de resistencia interna y ensayos de larga duración




• Laboratorio de electrónica y control – Instrumentación y control de procesos – Programación en Labview para control de estaciones de ensayo,

equipo y plantas de proceso – Implementación de secuencias de control de instrumentación – Se ha desarrollado el control de estaciones de ensayo de FC – Se ha desarrollado el control de plantas de procesado de combustible




• Laboratorio de integración de pilas de combustible – Integración de pilas de combustible en diferentes aplicaciones – Pequeñas aplicaciones (monocelda PEMFC) – UPS con autonomía mejorada – Pequeños vehículos (500 – 1000 W) – Integración en procesador de combustible – Integración FCs en sistemas híbridos




• Laboratorio de integración de sistemas – Permite integrar cualquier equipo de un sistema híbrido y probar

susprestaciones en condiciones de operación




• Laboratorio de integración de sistemas – Dos grupos de paneles fotovoltaicos (PV) de 1,5 kWp, Ptotal 3 kW

– Emulador de turbina eólica (WT) con una Pmáx 6 kW (en pruebas)

– Grupo de baterías (Bat) con una capacidad de 600 Ah

– Electrolizador alcalino (Claind), 1 Nm3/h de H2

– Sistema de almacenamiento de hidrógeno (SAH) como hidruros metálicos, capacidad de almacenamiento de 5 kg de hidrógeno (unos 70 Nm3)

– PEMFC Horizon de 5 kW de potencia

– Carga dinámica para simular el consumo de 5 kW

– Sistema de control y gestión energética de todos los equipos que forman la mini red integrada (EMS), cerebro del sistema, desarrollado totalmente en UPCIS en lenguaje labview.

– Electrolizador de membrana (Acta), capacidad de generación de hidrógeno de 1 Nm3/h




• Taller de apoyo – Taller mecánico y taller eléctrico – Equipos auxiliares mantenimiento eléctrico y suministro de gases – Montaje y construcción de estaciones de ensayo para FC



PROYECTOS

• MINECO Plan Nacional:

• DIR-BIOSOFC: “SOFCs directamente alimentadas con biogás: Efectos de las impurezas en la eficiencia y estabilidad en exposiciones prolongadas”. MAT2013-45043-P. (2015-2017).

• E-LIG-E: “Nuevo concepto de generación portátil de energía basado en hidrógeno y pila de combustible ultraligera y de alta densidad de potencia”. CTQ2014-54280-R. (2016-2018).



Actividad Baja temperatura

• El Grupo de Pilas de Combustible de Baja Temperatura centra su actividad en el desarrollo de componentes para pilas de combustible de tipo PEMFC, principalmente los electrodos, ensamblajes membrana-electrodo, contactos y placas. Se han preparado láminas delgadas microporosas para electrodos y ensamblajes membrana-electrodo.

• Los componentes desarrollados se han utilizado en la fabricación de monoceldas para aplicaciones portátiles que funcionan con hidrógeno almacenado, alcanzándose densidades de potencia superiores a 200 W·h·L-1 y 50 W·h·kg-1, similares a las de las baterías de ion-Li.

• Dichos componentes se están utilizando para el desarrollo de una pila de combustible multicelda (“stack”), basada en una patente propia (ES 2466590 A1), dentro del proyecto E-LIG-E.



Actividad Alta temperatura

• Mejora de las estaciones de ensayo mediante el diseño e implementación de dos sistemas de introducción de contaminantes en la corriente anódica que alimenta a una celda SOFC.

• Permite incorporar contaminantes como NH3, HCl, siloxanos (D4) y H2S al combustible de la celda.

• Se han preparado celdas de SOFC con materiales anódicos basados en óxido de cerio dopado con Cu y/o Ni, combinados con otros dopantes como Ca, Co, Ag, Rh, Mo y W,

• Se ha estudiado el efecto de la incorporación de H2S en la alimentación (H2 o biogás) en el rendimiento de la celda.

• Actividad catalítica para el reformado seco de metano, estabilidad catalítica, análisis de los depósitos de carbón formados.



INTEGRACIÓN DE SISTEMAS

• Operación de sistemas integrados EGA 3000 W estudiando las relaciones entre los equipos y la optimización de la energía generada.

• Se ha diseñado y construido una planta para la operación de una PEMFC de 5 kW con vistas a su incorporación a sistemas integrados.

• Se ha diseñado y se montará una planta para la operación de un electrolizador de membrana para la obtención de hidrógeno y su utilización en sistemas híbridos.

• Desarrollo de un procesador multicombustibles

• Integración de las PEMFCs en vehículos para movilidad reducida.



SERVICIOS Y COLABORACIONES

• Colaboraciones – Desarrollo de trabajos conjuntos con otros centros: – Instituto de Catálisis y Petroleoquímica (CSIC) – Universidad de A Coruña – Universidad de Kasdi Ouargla (Argelia) – Escuela Técnica Superiot de Ingenieros Industriales de Madrid

• Servicios – Las técnicas del laboratorio se pueden poner a disposición de otros centros

mediante servicios técnicos

• Integración en la Red de laboratorios de la Comunidad de Madrid – Las técnicas del laboratorio se pueden poner a disposición de otros centros

mediante servicios técnicos



Unidad de Pilas de Combustible e Integración de Sistemas del Ciemat:

Capacidades y actividades

Agradecimientos

La Unidad de Pilas de combustible realiza su investigación gracias a la financiación de los Planes Nacionales, S-0505/ENE-304, MAT2010-20846, MAT2011-27151 y

MAT2013-45043-P y de la Comunidad de Madrid, S009/ENE-1475.

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