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Grupo deHidrógeno y
Celdas de Combustible
Celdas de Combustibles para Aplicaciones Fijas:Retos para su amplio Uso
Grupo deHidrógeno y
Celdas de Combustible
Taller Retos Tecnico-Económicos del Sectro EnergéticoCiudad Universitaria, México D.F.
Noviembre 2006
Hydrogen andFuel Cells Group
Grupo deHidrógeno y
Celdas de Combustible
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. $$$$$)
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Grupo deHidrógeno y
Celdas de Combustible
1. La Tecnología: estado del arteCelda de Combustible = Generador de energía eléctricaenergía química � energía eléctrica sin combustiónoperación continua, muy eficiente, limpia, silenciosa
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OtrosPortátil
GeneraciónComercial
GeneraciónResidencial
TransportePasajeros
Transporte/Propulsión Especial
Aplicaciones…
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Celdas de Combustible
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
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MEA(Ensamble Membrana-Electrodo)
Conjuntos de MEA´s (STACK)
Balance de Planta (BOP)
Sistema de Control
Acondicionamiento de PotenciaH2
Sistema de Celda de Combustible
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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
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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”
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Fabricación de MEA’s con microestructura 3Dhomogénea de electrodos
Celdas de Membrana PEM
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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
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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)
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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
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Modelado y Simulación
• Diseño (Gas, Manejo agua, cond. ope.)• Menos trabajo experimental• Definición Criterios Control• Balance de Planta
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Configuración de celdas impone distintos diseños y enfoques en BOP
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4. Retos - Nivel Sistemas
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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
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SISTEMAS HÍBRIDOS
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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
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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
)
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
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
)
T i e m p o ( s e g u n d o s )
SISTEMASRENOVABLES
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Resúmen Retos Sistemas
Componentes específicamente diseñados (BOP)Electrónica de potenciaSistemas APUManejo de Agua y CalorAbastecimiento y Almacenamiento de CombustibleCostosNormatividad - Seguridad
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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
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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
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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
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Motor automotriz de CI = 60% eficiente
Sistemas Estacionarios = 40% eficiencia, operación com GN, GLP
Metas
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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
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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
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• 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
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CONCLUSIONES
Principales Retos
Infraestructura Almacenamiento de CombustibleCostos a corto plazo competitivosDurabilidad ( > experiencia)Apertura de MercadosInstitucionales (normatividad, etc.)