Pilas de Combustible DomĂŠsticas Igor Villarreal. Investigador de Ikerlan.
Pilas de combustible para la generaci贸n dom茅stica de electricidad y calor
Pila de combustible: Sistema que convierte la energía química del combustible directamente en electricidad y calor. combustible :H2; HC
Productos de reacción: H2O; CO2
electrones ánodo electrolito
O– or H+ cátodo
carga
Aire
-
+
O2 + 4 e- →2O-ó 2H+ + 4 e- +1/2 O2 → H2O
Generación de electricidad Energía química
Energía térmica
Energía mecánica
Pila de combustible
Combustión Combustible
Motor térmico Energía eléctrica
Consumo
Red eléctrica
Red de gas
Energía química
Alternador
Método convencional Consumo
Pila de combustible Energía eléctrica
Comparaci贸n de la eficiencia de las pilas de combustible con la de otros sistemas de generaci贸n
Tipos de Pilas de combustible Portador de carga
Electrolito
Tipo
Temperatura trabajo
Membrana polimérica (PEM)
50-100 ºC
H+
Polímero plástico
Alcalina (AFC)
50-200 ºC
OH-
Ácido Fosfórico (PAFC)
160-220 ºC
H+
Solución KOH Ácido fosfórico en matriz porosa de CSi
Carbonato fundido (MCFC) Óxido Sólido (SOFC)
620 –660 ºC 500-1000 ºC
CO32-
Mezcla de carbonatos alcalinos en matriz cerámica
O2-
Óxido de Circonio estabilizada con itrio
Las pilas de combustible en el futuro Eficiencia (% PCI) 80
Pilas de óxido sólido del futuro
70
Híbridas óxido sólido Carbonatos & Óxido sólido
60 50 40
Polímero y ácido fosfórico 1976
1980
2000
1990
Año
2010
2015
Principio de funcionamiento de la cogeneraci贸n dom茅stica Chimenea max 10 % 10%
Electricidad Min 25% Potencia e iluminaci贸n
Electricidad Venta/Compra
Pila Gas 100%
Calor Mx 65% Agua caliente y Calefacci贸n
Comparación con otros sistemas de generación Sistema Generación
Central de Gas
Pérdidas Transporte
Eficiencia Generación
58%
Energía uso final
6%
52%
Cogeneración Grande
90%
2%
88%
Cogeneración Doméstica
90%
0%
90%
La tecnología de óxido sólido es la que mejor se adapta a la cogeneración
Por:
Utiliza catalizadores económicos Puede utilizar los combustibles actuales (GN, GLP, biocombustibles, etc.) Única con electrolito sólido Su alta temperatura de trabajo facilita la generación simultánea de electricidad y calor (Cogeneración)
Sin embargo por su alta temperatura:
Requiere materiales especiales El tiempo de arranque es largo
Funcionamiento de las celdas de combustible de óxido sólido Temperatura 500 – 1000 ºC ½ O2 + 2e- O2O2H2 + O2- H2O + 2eCO + O2- CO2 + 2e-
Tecnología de las celdas
Algunos laboratorios y empresas implicados en la tecnología
Soporte catódico
Siemens-Westinghouse Power Corporation (Germany), Fuel Cell Technology (Canada) Osaka Gas Ltd (Japan)
Soporte en sustrato cerámico
Mitsubishi Heavy Industries Ltd. and Electric Power Development Co. Ltd. (Japan), Rolls-Royce (United Kingdom)
Soporte de electrolito
Ceramic Fuel Cells Ltd. (Australia), Technology Management Inc. (USA), Sanyo (Japan), Tokyo Gas Ltd. (Japan), HEXIS (Switzerland), McDermott Technology Inc. (USA), Ztek (UK), Hydrovolt(USA)
Soporte anódico
Soporte metálico
Honeywell (USA), HTceramix (CH), Haldor Topsoe (DK) Lawrence Berkeley National Laboratory (USA), Lawrence Livermore National Laboratory (USA) Forschungszentrum Jülich (Germany), General Electric (USA), Riso National Lab (Denmark), Materials and Systems Research Inc. (USA), Argonne National Laboratory(USA), PNL(USA) Acumentrics Corporation (USA) Lawrence Berkeley National Laboratory (USA), Electrochemical Laboratory (Japan), Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt DLR (Germany) Argonne National Laboratory (USA), Ikerlan, MCC
Celdas tubulares Siemens Westinghouse Esquema celda
Conjunto
Vista celda
Celda tubular y conjunto de Acumentrics
Dise単o cela y conjuntos Ikerlan Distribuidor celdas
Conjunto de prueba
Conjunto 2 celdas
Fabricaci贸n de celdas tubulares y planares
Generador de electricidad y calor de Acumentrics
Pila h铆brida. Combinaci贸n pila de combustible y micro turbina
Siemens Westinghouse Power Corporation
Tipos de pilas
Pila basada en celdas planas Esquema celda Pila
Conjunto
Tipos de pilas
Pila basada en celdas planas Esquema celda Pila
Conjunto
Fabricación de celdas planas de soporte anódico
tape casting ánodo Serigrafía del electrolito y cátodo Sinterizado
Montaje
Vista de celda y pila planares de HTceramix
Generadores de Electricdad y calor basados e pilas de 贸xido s贸lido Generador dom茅stico de MTS
Esquema Generador
Generador dom茅stico de Fagor
Otras aplicaciones de las pilas de combustible
Aplicaciones de las pilas de combustible Generación distribuida/ uso estacionario
- Aplicaciones residenciales/ comerciales/ industriales - Sistema de generación de apoyo - Generación en lugares remotos - Cogeneración
Transporte: vehículos ligeros y pesados, APU..
- Autobuses/ camiones - Vehículos - Trenes/ barcos
Minigeneración/ aplicaciones portátiles
- Equipos electrónicos: ordenadores portátiles, teléfonos móviles, videocámaras.. - Motores pequeños: herramientas pequeñas, ...
Oportunidades de mercado
Aplicaciones
Aplicaciones
Aplicaciones de las pilas de combustible Generaci贸n distribuida
Generaci贸n distribuida Status: inicio de comercializaci贸n Generaci贸n local de alto coste Posibilidad de uso en nuevas viviendas, edificios, negocios con acceso a GN Posible desarrollo del mercado mundial
Aplicaciones
Generaci贸n distribuida Ejemplos de productos con garant铆a disponibles en la actualidad de una gran variedad de fabricantes:
Ejemplos de prototipos disponibles en la actualidad y algunos que emergen como productos:
Aplicaciones
Transporte Autobuses VehĂculos de pasajeros Furgonetas Camiones Barcos/ submarinos Trenes Aviones (APU), etc
Aplicaciones
Aplicaciones portátiles
Principalmente PEMFC (DMFC y SOFC) Mejoras clave: reducción de tamaño reducción de coste control térmico catalizadores
Mercado
Requerimientos del mercado
Coste de fabricación del generador
Vida
Generación distribuida: > no es muy importante Automóvil: 2 kg/kW
Tiempo de arranque
Generación distribuida: > 40.000 hrs Automóvil: > 8.000 hrs.
Peso
Generación distribuida: 400 €/kW Automóvil: 50 €/kW
Generación distribuida: minutos Automóvil: segundos
Ciclos arranque parada
Ambas aplicaciones: miles
Sistemas auxiliares de generaci贸n de electricidad para aviones Sistema distribuido de generaci贸n de electricidad para aviones
Estrategia de despliegue del hidr贸geno y PC