Pilas de Combustible DomésticasIgor Villarreal. Investigador de Ikerlan.

Pilas de combustible para la generación doméstica de

electricidad y calor

electrolito

combustible :H2; HC

ánodo

Aire

-cátodo +

electrones

carga

Productos de reacción: H2O; CO2

O2 + 4 e- 2O--

ó2H+ + 4 e- +1/2 O2 H2O

O– or H+

Pila de combustible: Sistema que convierte la energía química del combustible directamente en electricidad y calor.

Red de gas

Pila de combustible

ConsumoConsumo

Energía química

Energía eléctrica

Generación de electricidad

Combustible

Energía química

Energía térmica

Energía mecánica

Energía eléctrica

CombustiónMotor térmico

AlternadorRed eléctricaConsumo

Método convencionalMétodo convencional

Pila de combustiblePila de combustible

Comparación de la eficiencia de las pilas de combustible con la de otros sistemas de generación

Tipos de Pilas de combustible

Tipo Temperatura trabajo

Portador de carga Electrolito

Membrana polimérica (PEM)

50-100 ºC H+ Polímero plástico

Alcalina (AFC) 50-200 ºC OH- Solución KOH

Ácido Fosfórico (PAFC) 160-220 ºC H+

Ácido fosfórico en matriz porosa de CSi

Carbonato fundido (MCFC) 620 –660 ºC CO3

2-

Mezcla de carbonatos alcalinos en matriz

cerámica

Óxido Sólido (SOFC)

500-1000 ºC O2-

Óxido de Circonio estabilizada con itrio

Pilas de óxido sólido del futuro

Híbridas óxido sólido

Carbonatos&

Óxido sólido

Polímero y ácido fosfórico

1976 1980 1990 2000 2010 2015

Eficiencia (% PCI)

Año

80

70

60

50

40

Las pilas de combustible en el futuro

Electricidad Min 25% Potencia e iluminación

Calor Mx 65%

Agua caliente y Calefacción

Chimenea max 10 % 10%

Electricidad Venta/Compra

Gas 100%

Pila

Principio de funcionamiento de la cogeneración doméstica

Sistema Generación

Pérdidas Transporte

Energía uso final

Cogeneración Doméstica

Cogeneración Grande 2%2%

6%6%

0%0% 90%90%

88%88%

52%52%

90%

90%90%

58%

Eficiencia Generación

Central de Gas

Comparación con otros sistemas de generación

La tecnología de óxido sólido es la que mejor se adapta a la cogeneración

Por:Por: Utiliza catalizadores económicosUtiliza catalizadores económicos Puede utilizar los combustibles actuales (GN, GLP, Puede utilizar los combustibles actuales (GN, GLP,

biocombustibles, etc.)biocombustibles, etc.) Única con electrolito sólidoÚnica con electrolito sólido Su alta temperatura de trabajo facilita la generación Su alta temperatura de trabajo facilita la generación

simultánea de electricidad y calor (Cogeneración)simultánea de electricidad y calor (Cogeneración)

Sin embargo por su alta temperatura:Sin embargo por su alta temperatura: Requiere materiales especialesRequiere materiales especiales El tiempo de arranque es largoEl tiempo de arranque es largo

Funcionamiento de las celdas de combustible de óxido sólido

TemperaturaTemperatura500 – 1000 ºC500 – 1000 ºC

HH22 + O + O2- 2- H H22O + 2eO + 2e--

CO + OCO + O2-2- CO CO22 + 2e + 2e--

½ ½ OO2 2 + 2e+ 2e-- O O22--

OO22--

Tecnología de las celdas Algunos laboratorios y empresas implicados en la tecnología

Soporte catódicoSiemens-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

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)

Soporte metálico

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

Vista celda

Conjunto

Celda tubular y conjunto de Acumentrics

Diseño cela y conjuntos Ikerlan

Distribuidor celdas Conjunto 2 celdas

Conjunto de prueba

Fabricación de celdas tubulares y planaresFabricación de celdas tubulares y planares

Generador de electricidad y calor de Acumentrics

Siemens Westinghouse Power Corporation

Pila híbrida. Combinación pila de combustible y micro turbina

Tipos de pilas

Pila basada en celdas planas

Esquema celda

Conjunto

Pila

Tipos de pilas

Pila basada en celdas planas

Esquema celda

Conjunto

Pila

tape casting ánodo

Serigrafía del electrolitoy cátodo

Sinterizado

Montaje

Fabricación de celdas planas de soporte anódico

Vista de celda y pila planares de HTceramix

Generadores de Electricdad y calor basados e pilas de óxido sólido

Generador doméstico de Fagor

Generador doméstico de

MTS

EsquemaGenerador

Otras aplicaciones de las pilas de combustible

Aplicaciones de las pilas de combustibleAplicaciones de las pilas de combustible

Generación distribuida/ uso estacionario

Transporte: vehículos ligeros y pesados, APU..

Minigeneración/aplicaciones portátiles

- Aplicaciones residenciales/ comerciales/ industriales- Sistema de generación de apoyo- Generación en lugares remotos- Cogeneración

- Autobuses/ camiones- Vehículos - Trenes/ barcos

- Equipos electrónicos: ordenadores portátiles, teléfonos móviles, videocámaras..- Motores pequeños: herramientas pequeñas, ...

OOportunidades de mercadoportunidades de mercadoAplicaciones

Aplicaciones de las pilas de combustibleAplicaciones de las pilas de combustible

Generación distribuida

Generación distribuida

Status: inicio de comercialización

Generación local de alto coste

Posibilidad de uso en nuevas viviendas, edificios, negocios con acceso a GN

Posible desarrollo del mercado mundial

Aplicaciones

Generación distribuidaAplicaciones

Ejemplos de productos con garantía 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

Vehículos de pasajeros

Furgonetas

Camiones

Barcos/ submarinos

Trenes

Aviones (APU), etc

Aplicaciones portátilesAplicaciones

Principalmente PEMFC

(DMFC y SOFC)

Mejoras clave: reducción de tamaño reducción de coste control térmico catalizadores

Requerimientos del mercado Coste de fabricación del generador

Generación distribuida: 400 €/kW Automóvil: 50 €/kW

Vida Generación distribuida: > 40.000 hrs Automóvil: > 8.000 hrs.

Peso Generación distribuida: > no es muy importante Automóvil: 2 kg/kW

Tiempo de arranque Generación distribuida: minutos Automóvil: segundos

Ciclos arranque parada Ambas aplicaciones: miles

Mercado

Sistemas auxiliares de generación de electricidad para aviones

Sistema distribuido de generación de electricidad para aviones

Estrategia de despliegue del hidrógeno y PC