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

Transcripción

1 s para Aplicaciones Fijas: Retos para su amplio Uso Hydrogen and Fuel Cells Group Taller Retos Tecnico-Económicos del Sectro Energético Ciudad Universitaria, México D.F. Noviembre 2006

2 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 6. Metas p/tecnología Competitiva (incl. $$$$$) 2

3 1. La Tecnología: estado del arte Celda de Combustible = Generador de energía eléctrica energía química energía eléctrica sin combustión operación continua, muy eficiente, limpia, silenciosa 3

4 Aplicaciones Transporte/Propulsión Especial Transporte Pasajeros Generación Residencial Generación Comercial Otros Portátil 4

5 Tipo de Celda Capacidad Aplicaciones Eficiencia Top Madurez Membrana PEM <1W 250kW Portátil, Respaldo, GD, Transporte ~50% 50 80C demostración, comercial Metanol MDFC mw 100W Portátil, electrónicos <40% 60 90C desarrollo Alcalina AFC 10kW-100kW Aeroespacial, militar 60 70% C madura Ácido Fosfórico PAFC 50kW 1MW GD 80-85% C comercial Carbonatos MCFC <1kW 1MW GD, GC 60% - 85% C desarrollo, comercial Óxido Sólido SOFC 5kW - 3MW APU, GC, GD 60% - 85% C desarrollo

6 Sistema de Celda de Combustible MEA (Ensamble Membrana-Electrodo) Conjuntos de MEA s (STACK) Balance de Planta (BOP) Sistema de Control Acondicionamiento de Potencia H 2

7 Ruta General de un Sistema de Celda de Combustible A. Tratamiento Químico de Membranas C. Tratamiento Hidrofobicidad a Difusores E. Activación Electroquímica de MEA s G. Diseño y Fabricación del Sistema de Sellado Manifold p/gases I. Diseño e Integración del Balance de Planta K. Diseño y Realización del Sistema de Control LL. Fabricación del Circuito de Control N. Acondicionamiento de Potencia t /m B. Preparación y Aplicación de Tinta Catalizadora D. Tratamiento Termo- Mecánico de MEA s F. Diseño y Manufactura de Placas Bi y Monopolares H. Integración y Pruebas de Stack J. Evaluación del Sistema Integrado p/definición de Control L. Pruebas del Sistema Integrado con Control M. Definición e integración del APU O. Pruebas Beta IIE Nivel 1 MEA s IIE Nivel 4 BOP Nivel 7 Acond. Potencia IIE Nivel 2 Placas Nivel 5 Control Nivel 8 Beta Testing 7 IIE Nivel 3 Stacks Nivel 6 Admon. Energía

8 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

9 Celdas de Membrana PEM Fabricación de MEA s con microestructura 3D homogénea de electrodos 9

10 1.1 Curvas de rendimiento comparativas de MEA s de varios tecnológos Voltaje (V) Corriente (ma/cm2) 10 DUPONT GORE ELECTROCHEM IIE

11 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

12 Celdas de Óxidos Sólidos (SOFC) Materiales vs. corrosión Estabilidad térmica Sellos Catalizadores 12

13 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 Electrodo Difusores de Gas Placas Bi y Mono polares Sellos Conectores de Gas (manifolds( manifolds) Conectores Eléctricos Soportes Ingeniería

14 Modelado y Simulación Diseño (Gas, Manejo agua, cond. ope.) Menos trabajo experimental Definición Criterios Control Balance de Planta

15 Configuración de celdas impone distintos diseños y enfoques en BOP

16 4. Retos - Nivel Sistemas

17 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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19 Combinación de celdas y turbina para aumentar eficiencia

20 SISTEMAS HÍBRIDOS

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22 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

23 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 ) 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 T i e m p o ( s e g u n d o s ) T i e m p o ( s e g u n d o s ) F l u j o d e g a s H 2 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 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 ) 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 T i e m p o ( S e g u n d o s ) SISTEMAS RENOVABLES I [A] = E [V] / /60 800/55 600/50 400/45 200/40 MPP stack Sistema Solar- Hidrógeno (PV stack 1m 3 /hr) Flujo (lts/hr) Voltaje Vcd (Volts) Voltaje directo (Volts) Corriente directa (Amperes) Corriente directa (Amperes)

24 Resúmen Retos Sistemas Componentes específicamente diseñados (BOP) Electrónica de potencia Sistemas APU Manejo de Agua y Calor Abastecimiento y Almacenamiento de Combustible Costos Normatividad - Seguridad

25 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 Sólido = mayor capacidad, menor peso, mayor flexibilidad

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27 . 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. Normatividad para garantizar desempeño y Seguridad

28 6. Metas p/competitividad (incl. $$$$$*) 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) *montos en USD

29 Metas Motor automotriz de CI = 60% eficiente Sistemas Estacionarios = 40% eficiencia, operación com GN, GLP

30 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

31 DENSIDAD DE POTENCIA y ENERGÍA Reducción de Tamaño y Peso: stacks, auxiliares y subsistemas principales (e.g., procesor de combustible, compresor/expansor, sensores, etc. Balance de Planta (BOP). Aplicaciones electrónicas (<50W) densidad energía = 1,000Wh/L APU (3-30kW) Potencia específica = 1,00W/kg densidad de potencia = 100W/L

32 el par Hidrógeno 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 $

33 CONCLUSIONES Principales Retos Infraestructura Almacenamiento de Combustible Costos a corto plazo competitivos Durabilidad ( > experiencia) Apertura de Mercados Institucionales (normatividad, etc.)