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
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
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
Aplicaciones Transporte/Propulsión Especial Transporte Pasajeros Generación Residencial Generación Comercial Otros Portátil 4
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% 90-100C madura Ácido Fosfórico PAFC 50kW 1MW GD 80-85% 150-200C comercial Carbonatos MCFC <1kW 1MW GD, GC 60% - 85% 600-700C desarrollo, comercial Óxido Sólido SOFC 5kW - 3MW APU, GC, GD 60% - 85% 650-1000C desarrollo
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
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 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 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
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
Celdas de Membrana PEM Fabricación de MEA s con microestructura 3D homogénea de electrodos 9
1.1 Curvas de rendimiento comparativas de MEA s de varios tecnológos 1.0 0.9 Voltaje (V) 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 Corriente (ma/cm2) 10 DUPONT GORE ELECTROCHEM IIE
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 12
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
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)
Combinación de celdas y turbina para aumentar eficiencia
SISTEMAS HÍBRIDOS
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
2 4 0 2 2 0 2 0 0 1 8 0 1 6 0 1 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 0 1 2 0 5 0 4 0 3 0 2 0 1 0 2 0 0 0 1 8 0 0 1 6 0 0 1 4 0 0 1 2 0 0 1 0 0 0 8 0 0 6 0 0 4 0 0 2 0 0 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 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 0 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 0 0 T i e m p o ( s e g u n d o s ) 4 0 3 5 3 0 2 5 2 0 1 5 1 0 5 1 6 0 1 4 0 1 2 0 1 0 0 8 0 6 0 4 0 2 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 0 0 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 0 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] = 55 50 45 40 35 30 25 20 15 10 5 0 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 E [V] + 1000/25 1000/60 800/55 600/50 400/45 200/40 MPP stack Sistema Solar- Hidrógeno (PV 2.4kW, @48V, stack 1m 3 /hr) Flujo (lts/hr) Voltaje Vcd (Volts) Voltaje directo (Volts) Corriente directa (Amperes) Corriente directa (Amperes)
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
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
. 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
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
Metas Motor automotriz de CI = 60% eficiente Sistemas Estacionarios = 40% eficiencia, operación com GN, GLP
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
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
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 $
CONCLUSIONES Principales Retos Infraestructura Almacenamiento de Combustible Costos a corto plazo competitivos Durabilidad ( > experiencia) Apertura de Mercados Institucionales (normatividad, etc.)