GRUPO DE PILAS DE COMBUSTIBLE CIEMAT CSIC-ICP

Transcripción

1 GRUPO DE PILAS DE COMBUSTIBLE CIEMAT CSIC-ICP Tomás González Ayuso 1ª Reunión Científica de la Red local del Hidrógeno de la Universidad de Málaga Málaga

2 OBJETIVOS Desarrollo y aplicaciones de las pilas de combustible: - Aspectos básicos de electrocatálisis y conversión electroquímica de energía - Búsqueda de nuevos materiales para componentes - Integración en sistemas 1.- Pilas de combustible de baja temperatura (BT) 2.- Pilas de combustible de alta temperatura (AT) 3.- Integración de sistemas (IS) 4.- Grupo de Pilas de Combustible de Catálisis Electrocatálisis Nuevos materiales Caracterización de materiales y de su reactividad electroquímica Fabricación de electrodos y MEAs Pruebas en monocelda Producción electroquímica de hidrógeno Preparación de electrodos Diseño y construcción de celdas electroquímica Estudios de estabilidad y actividad electrocatalítica Caracterización en monocelda Sistemas para conversión de energía solar y eólica Aplicaciones estacionarias Automoción Aprovechamiento de biogas Diseño y construcción de estaciones de ensayo Desarrollo de catalizadores Fabricación de catalizadores Electrodos para pilas de combustible Procesadores de combustible 2

3 COMPONENTES Responsable: Loreto Daza Bertrand Tomás González Ayuso Antonio Martínez Chaparro María Escudero Berzal Equipo de trabajo: 10 Investigadores (plantilla o contrato) 4 Doctorandos 1 Técnicos Laboratorios Ciemat ICP CSIC TC CSIC 3

4 CATÁLISIS Síntesis de catalizadores de reformado de combustibles (bioetanol, biogás), WGS y COPROX Fabricación de catalizadores a escala semi-industrial Caracterización físico-química Evaluación catalítica Operación en planta piloto (1 kw, 10 kw) Procesadores de combustible 4

5 ion current (A) electrolysis (A) BAJA TEMPERATURA Estudios sobre actividad electrocatalítica Curvas IV y impedancias Espectrometría de masas Balanza electroquímica Electrodo rotatorio Imágenes de SEM de telas de carbón recubiertas con electrocatalizador Síntesis de electrocatalizadores Metales nobles, aleaciones Síntesis química y electroquímica Monocelda para ensayo de materiales y stacks hasta 1kW Preparación de emulsiones Fabricación de electrodos y MEAs Aerografía Impregnación Pulverización catódica Ensayos en monoceldas 1E-10 1E V (vs Ag-AgCl) ion current m=2 electrolysis current E-3 1E-4 1E-5 Estación de ensayos para monoceldas y pequeños stacks Corriente de electrolisis y señal de espectrómetro de masas (m=2) H 2 O H O 2 5

6 Voltaje de celda / V Densidad de potencia, mw/cm 2 Potencia, W -Z", cm 2 -Z", cm Z', cm 2 ALTA TEMPERATURA Preparación de nuevos electrodos Estado sólido: Impregnación Química: Ruta citratos Caracterización de materiales Medidas de conductividad Caracterización de la interfase electrodo/electrólito Cinética de los electrodos (polarización, impedancias) Caracterización en monocelda Curvas I-V Ensayos de durabilidad (carga constante hasta 4000h) Estación de ensayos de pilas de combustible a alta temperatura Curva I-V t=30h t=54h t=78h t=102h t=126h t=150h t=200h 1 Hz 0.1 mhz Micrografía del cátodo Ni-Ce 3.4 KHz Z', cm 2 Espectros de impedancia en función del tiempo de inmersión Caracterización en monocelda Ensayo de durabilidad Cátodo Ni, t=1000h ma/cm 2 21 Hz Cátodo Ni Cátodo Ni-0,5Ce Cátodo Ni-0,5Ce, t=1000h 80 Cátodo Ni-0,5Ce, t=2000h Densidad de corriente, ma/cm ma/cm Tiempo en carga, h 6

7 INTEGRACIÓN DE SISTEMAS Sistemas aislados, con conversión de energía solar Aprovechamiento de biogás Apoyo en proyectos de Automoción Sistemas portátiles: SAI Sistemas móviles: Scooter Sistemas híbridos: GELSHI Proyecto FIRST para aprovechamiento de energía solar, generación de hidrógeno, y pila de combustible SAI 500W con PEMFC Vertedero de resíduos sólidos urbanos en Pinto (Madrid), donde funciona una pila MCFC para aprovechamiento de biogás. 7

8 ACTIVIDADES Asesoramiento sobre Pilas de combustible y tecnologías del Hidrógeno (EMVS, CEB) Construcción de estaciones de ensayo Ingeniería de diseño y construcción de Procesadores de combustible (DIVERCEL, SOSTAQUA) Ecobarrio: Sidera 30 durante su instalación en Madrid Diseño, ingeniería y montaje de plantas Estación de ensayo de PEMFC de 5 kw 8

9 PROYECTOS DECATEL: Desarrollo de nuevos catalizadores preparados por electrodepósito para conversión electroquímica de energía. Ministerio de Ciencia e Innovación. MAT SOFC-BIO: Materiales anódicos eficientes para IT-SOFC alimentados con biogás: un combustible renovable. Ministerio de Ciencia e Innovación. MAT GELSHI: Generación de energía limpia mediante sistemas híbridos. CIEMAT CEB: Aplicación de hidrógeno a las necesidades de energía y transporte de una pyme. Aumento de funcionalidades en dichas áreas. Plan Nacional de I+D, Referencia ECC H2OME: Development of a Novel Compact Multi Fuel Steam Reforming Device Integrated into a cost effective Fuel Cell Micro Combined Heat & Power Generation System for Residential Building Application. UE, SP4-Capacities, FP7-SME SOSTAQUA: Desarrollos tecnológicos hacia el ciclo urbano del agua autosostenible. CDTI, CENIT DIVERCEL: Diversificación energética mediante sistemas de generación basados en pilas de combustible. Comunidad de Madrid, S2009/ENE

10 PROYECTOS DECATEL: Desarrollo de nuevos catalizadores preparados por electrodepósito para conversión electroquímica de energía. Ministerio de Ciencia e Innovación. MAT SOFC-BIO: Materiales anódicos eficientes para IT-SOFC alimentados con biogás: un combustible renovable. Ministerio de Ciencia e Innovación. MAT Electropulverización Ensayos con SOFC Adelan 10

11 PROYECTOS GELSHI: Generación de energía limpia mediante sistemas híbridos. CIEMAT Pila de combustible Panel fotovoltaico Sistema de gestión Adquisición de datos Almacén de hidrógeno Batería (en el interior) 11

12 PROYECTOS GELSHI: Generación de energía limpia mediante sistemas híbridos. CIEMAT Red eléctrica Paneles fotovoltaicos Electrolizador EMS Energía Almacenamiento de hidrógeno Pila de combustible El Sistema de Gestión (EMS) controla los diferentes equipos y la energía generada 12

13 PROYECTOS CEB: Aplicación de hidrógeno a las necesidades de energía y transporte de una pyme. Aumento de funcionalidades en dichas áreas. Plan Nacional de I+D, Referencia ECC Hidrógeno: Producción de H2 a partir de energías renovables (electrolisis) Utilización del H2 para generar energía eléctrica (oficinas y vehículos) Mejora de vehículos eléctricos Utilización de pilas de combustible 13

14 PROYECTOS SOSTAQUA: Desarrollos tecnológicos hacia el ciclo urbano del agua autosostenible Aprovechamiento de gases de depuradora Reformado, WGS, COprox Generación de energía eléctrica Procesadores 1 kw y 5 kw 14

15 PROYECTOS H2OME: Development of a Novel Compact Multi Fuel Steam Reforming Device Integrated into a cost effective Fuel Cell Micro Combined Heat & Power Generation System for Residential Building Application Preparación y caracterización de diferentes catalizadores Reformado de gas natural, WGS y COprox Pila de combustible Ballard 80 kw Generación 30 kw Instalación en Polonia, Hotel Nadmorski 15

16 PROYECTOS DIVERCEL: Diversificación energética mediante sistemas de generación basados en pilas de combustible (continuación del ENERCAM) 1.- Desarrollo de componentes para PEMFC y SOFC Preparación de electrodos, caracterización electroquímica y pruebas en celdas para PEMFC... y SOFC 2,5 cm Medidas electroquímicas y microbalanza de cristal de cuarzo Ensayos con SOFC Adelan 16

17 PROYECTOS DIVERCEL: Diversificación energética mediante sistemas de generación basados en pilas de combustible (continuación del ENERCAM) 2.- Producción de hidrógeno Electrolisis y reformado 17

18 PROYECTOS DIVERCEL: Diversificación energética mediante sistemas de generación basados en pilas de combustible (continuación del ENERCAM) 2.- Producción de hidrógeno Electrolisis y reformado 18

19 PROYECTOS DIVERCEL: Diversificación energética mediante sistemas de generación basados en pilas de combustible (continuación del ENERCAM) 3.- Aplicaciones estacionarias UPS, cargador, vivienda 19

20 PROYECTOS DIVERCEL: Diversificación energética mediante sistemas de generación basados en pilas de combustible (continuación del ENERCAM) 4.- Aplicaciones móviles Scooter silla de ruedas 20

21 ACTIVIDADES Otros proyectos internos del CIEMAT Colaboración con diferentes empresas Normalización (TC 105, AENOR) Miembros activos de la ASOCIACIÓN ESPAÑOLA DE PILAS DE COMBUSTIBLE APPICE Organización bianual del Congreso Nacional de Pilas de Combustible ( el próximo será CONAPPICE 2012 en Albacete) 21

22 FIN GRUPO CIEMAT CSIC DE PILAS DE COMBUSTIBLE Tomás González Ayuso CIEMAT Unidad de Pilas de Combustible e Integración de Sistemas tomas.gonzalez@ciemat.es 22

23 23

24 BAJA TEMPERATURA Síntesis de electrocatalizadores y electrocatálisis Disco Pt anillo Pt Medidas electroquímicas y microbalanza de cristal de cuarzo Electrodo rotatorio 24

25 BAJA TEMPERATURA Electrodos: métodos de preparación Impregnación Aerografía Electropulverización 25

26 BAJA TEMPERATURA Ensamblaje membrana-electrodo (MEA) Preparación de MEAs MEA Laboratorio de preparación de MEAs 26

27 BAJA TEMPERATURA Ensayos de operación Ensamblaje de monoceldas y stacks Ensayo monoceldas Ensayo stacks 27

28 PILAS DE COMBUSTIBLE DE ALTA TEMPERATURA Pilas de combustible óxidos sólidos (SOFC) Preparación de cátodos Síntesis de materiales con estructura K 2 NiF 4 Estudio del efecto de la estructura y en las propiedades por substitución con metales de transición y alcalinoterreos Control de la estequiometría de oxígeno mediante tratamiento a alta presión de oxígeno y utilizando métodos suaves Preparación de ánodos Síntesis de materiales basados en óxidos Ni/YZS dopados con Ce, Cu, Nb o Ti Evaluación del material anódico y estudio de la influencia de contaminantes presentes en biocombustibles. 28

29 PILAS DE COMBUSTIBLE DE ALTA TEMPERATURA Pilas de combustible óxidos sólidos (SOFC) 2.5 cm Ensayos con SOFC Adelan 29

30 INTEGRACIÓN DE SISTEMAS Proyecto FIRST: Hidrógeno solar EU project: FHG-ISE, Nuvera, Air Liquide, Würth, CSIC, INTA, CIEMAT 30

31 INTEGRACIÓN DE SISTEMAS Proyecto FIRST: Hidrógeno solar Energy management ELY Load BAT HSS FC Data acquisition 31

32 Bat current, A Bat Vmax, V HSS pressure, bar HSS temp, ºC Ely current, A Ely voltage, (V) Bat soc, (%) Bat, V Solar power, Wm -2 Solar temp, ºC INTEGRACIÓN DE SISTEMAS Proyecto FIRST: Hidrógeno solar SOLAR POWER Time, days SOLAR TEMPERATURE Time,days BAT SOC BAT VOLTAGE Balance energético en promedio diario: Jun 03 Sep 03 Oct 03 May 04 Energía solar incidente 83,4 kw h 50,5 kw h Conversión fotovoltaica 5,1 kw h (6,1 %) 3,9 kw h (7,7 %) Consumo por electrolisis 1,5 kw h - Hidrógeno producido 0,33 Nm 3 - Consumo en la carga 3,5 kw h 4,3 kw h Estado de carga de baterías 87% 69% Consumo en sistema gestor 0,5 kw h 0,5 kw h FC potencia total - 0,22 kw h FC potencia neta - 0,16 kw h Time, days ELY CURRENT Time,days HYDRIDE PRESSURE Time, days 14 BAT CURRENT Time, days Time,days 60 ELY VOLTAGE Time, days 24 HYDRIDES TEMPERATURE Time, days MAXIMUM BAT VOLTAGE Time, days 32

33 PROYECTOS GELSHI: Generación de energía limpia mediante sistemas híbridos. CIEMAT Operación durante un día Third day operation 33