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GRUPO DE PILAS DE COMBUSTIBLECIEMAT – CSIC-ICP
Tomás González Ayuso
1ª Reunión Científica de la Red local del
Hidrógeno de la Universidad de Málaga
Málaga 2011
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
Electrocatálisis
Nuevos materiales
Caracterización de
materiales y de su
reactividad electroquímica
1.- Pilas de
combustible de baja
temperatura (BT)
2.- Pilas de
combustible de alta
temperatura (AT)
3.- Integración de
sistemas (IS)
Producción electroquímica
de hidrógeno
Fabricación de electrodos
y MEAs
Pruebas en monocelda
Sistemas para conversión
de energía solar y eólica
Aprovechamiento de
biogas
Automoción
Preparación de electrodos
Estudios de estabilidad y
actividad electrocatalítica
Diseño y construcción de
celdas electroquímica
Diseño y construcción de
estaciones de ensayo
Caracterización en
monocelda
4.- Grupo de Pilas de
Combustible de
Catálisis
Aplicaciones estacionarias
Desarrollo de catalizadores
Fabricación de
catalizadores
Electrodos para pilas de
combustible
Procesadores de
combustible
3
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
COMPONENTES
4
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
CATÁLISIS
5
Estudios sobre actividad electrocatalítica
Curvas IV y impedancias
Espectrometría de masas
Balanza electroquímica
Electrodo rotatorio
Síntesis de electrocatalizadores
Metales nobles, aleaciones
Síntesis química y electroquímica
Preparación de emulsiones
Fabricación de electrodos y “MEAs”
Aerografía
Impregnación
Pulverización catódica
Ensayos en monoceldas
Imágenes de SEM de telas de carbón
recubiertas con electrocatalizador
Corriente de electrolisis y señal de espectrómetro de masas
(m=2)H2O H2 + 0.5O2
Estación de ensayos para
monoceldas y pequeños stacks
Monocelda para
ensayo de materiales y
stacks hasta 1kW
BAJA TEMPERATURA
1E-5
1E-4
1E-3
0.01
-0.4 -0.3 -0.2 -0.1 0.0
1E-11
1E-10
ion current m=2
ion
cu
rre
nt (A
)
V (vs Ag-AgCl)
electrolysis current
ele
ctr
oly
sis
(A
)
6
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)
0
25
50
75
100
125
150
175
200
225
250
0 25 50 75 100 125 150 175 200 225 250
Z', cm2
-Z",
cm
2
t=30h
t=54h
t=78h
t=102h
t=126h
t=150h
t=200h
0.1 mHz
1 Hz
0
5
10
15
20
25
30
0 5 10 15 20 25 30
Z', cm2
-Z",
cm
2
21 Hz3.4 KHz
Micrografía
del cátodo Ni-Ce
Caracterización en monoceldaCurva I-V Ensayo de durabilidad
Espectros de impedancia en
función del tiempo de inmersión
Estación de ensayos de pilas de
combustible a alta temperatura
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1.0
1.1
0 25 50 75 100 125 150 175 200 225 250 275 300
Densidad de corriente, mA/cm2
Vo
lta
je d
e c
eld
a /
V
0
20
40
60
80
100
120
140
160
De
ns
ida
d d
e p
ote
ncia
, m
W/c
m2
Cátodo Ni, t=1000h
Cátodo Ni-0,5Ce, t=1000h
Cátodo Ni-0,5Ce, t=2000h
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
1.2
1.4
1.6
200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200
Tiempo en carga, h
Po
ten
cia
, W
Cátodo Ni
Cátodo Ni-0,5Ce
200 mA/cm2
150 mA/cm2
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1.0
1.1
0 25 50 75 100 125 150 175 200 225 250 275 300
Densidad de corriente, mA/cm2
Vo
lta
je d
e c
eld
a /
V
0
20
40
60
80
100
120
140
160
De
ns
ida
d d
e p
ote
ncia
, m
W/c
m2
Cátodo Ni, t=1000h
Cátodo Ni-0,5Ce, t=1000h
Cátodo Ni-0,5Ce, t=2000h
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
1.2
1.4
1.6
200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200
Tiempo en carga, h
Po
ten
cia
, W
Cátodo Ni
Cátodo Ni-0,5Ce
200 mA/cm2
150 mA/cm2
7
INTEGRACIÓN DE SISTEMAS
Proyecto FIRST para aprovechamiento de
energía solar, generación de hidrógeno, y pila
de combustible
Vertedero de resíduos sólidos
urbanos en Pinto (Madrid), donde
funciona una pila MCFC para
aprovechamiento de biogás.
Sistemas aislados, con conversión de
energía solar
Aprovechamiento de biogás
Apoyo en proyectos de Automoción
Sistemas portátiles: SAI
Sistemas móviles: Scooter
Sistemas híbridos: GELSHI
SAI 500W con
PEMFC
8
ACTIVIDADES
Ecobarrio: Sidera 30 durante su
instalación en Madrid
Diseño,
ingeniería y
montaje de
plantas
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)
Estación de
ensayo de
PEMFC de 5 kW
9
•DECATEL: “Desarrollo de nuevos catalizadores preparados por electrodepósito para conversión
electroquímica de energía” . Ministerio de Ciencia e Innovación. MAT2007-64210
•SOFC-BIO: “Materiales anódicos eficientes para IT-SOFC alimentados con biogás: un
combustible renovable” . Ministerio de Ciencia e Innovación. MAT2010-20846
•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-590000-
2008-151
•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-2007-1
•SOSTAQUA: “Desarrollos tecnológicos hacia el ciclo urbano del agua autosostenible”. CDTI,
CENIT 2007-1039
•DIVERCEL: “Diversificación energética mediante sistemas de generación basados en pilas de
combustible”. Comunidad de Madrid, S2009/ENE-1475
PROYECTOS
10
DECATEL: “Desarrollo de nuevos catalizadores preparados por electrodepósito
para conversión electroquímica de energía” . Ministerio de Ciencia e Innovación.
MAT2007-64210
SOFC-BIO: “Materiales anódicos eficientes para IT-SOFC alimentados con
biogás: un combustible renovable” . Ministerio de Ciencia e Innovación.
MAT2010-20846
ElectropulverizaciónEnsayos con SOFC Adelan
PROYECTOS
11
GELSHI: “Generación de energía limpia mediante sistemas híbridos”. CIEMAT
Pila de combustible
Sistema
de gestión
Panel fotovoltaico
Adquisición
de datos
Batería
(en el interior)
Almacén de
hidrógeno
PROYECTOS
12
Paneles
fotovoltaicos
Electrolizador
Almacenamiento
de hidrógeno
Energía
Pila de
combustible
EMS
Red
eléctrica
El Sistema de Gestión (EMS) controla los diferentes equipos y la energía generada
GELSHI: “Generación de energía limpia mediante sistemas híbridos”. CIEMAT
PROYECTOS
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-590000-2008-151
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
14
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
PROYECTOS
15
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
PROYECTOS
16
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
PROYECTOS
Medidas electroquímicas y microbalanza
de cristal de cuarzoEnsayos con SOFC Adelan
2,5 cm
17
DIVERCEL: “Diversificación energética mediante sistemas de generación
basados en pilas de combustible” (continuación del ENERCAM)
2.- Producción de hidrógeno
Electrolisis y reformado
PROYECTOS
18
DIVERCEL: “Diversificación energética mediante sistemas de generación
basados en pilas de combustible” (continuación del ENERCAM)
2.- Producción de hidrógeno
Electrolisis y reformado
PROYECTOS
19
DIVERCEL: “Diversificación energética mediante sistemas de generación
basados en pilas de combustible” (continuación del ENERCAM)
3.- Aplicaciones estacionarias
UPS, cargador, vivienda
PROYECTOS
20
DIVERCEL: “Diversificación energética mediante sistemas de generación
basados en pilas de combustible” (continuación del ENERCAM)
4.- Aplicaciones móviles
Scooter – silla de ruedas
PROYECTOS
21
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)
ACTIVIDADES
22
GRUPO CIEMAT – CSIC DE PILAS DE COMBUSTIBLE
Tomás González Ayuso
CIEMAT
Unidad de Pilas de Combustible e Integración de Sistemas
tomas.gonzalez@ciemat.es
FIN
24
BAJA TEMPERATURA
Síntesis de electrocatalizadores y electrocatálisis
Medidas electroquímicas y
microbalanza de cristal de cuarzo
Disco Pt
anillo Pt
Electrodo rotatorio
25
ElectropulverizaciónAerografíaImpregnación
Electrodos: métodos de preparación
BAJA TEMPERATURA
26
Laboratorio de preparación de MEAs
MEA
Preparación de MEAs
Ensamblaje membrana-electrodo (MEA)
BAJA TEMPERATURA
27
Ensamblaje de monoceldas y stacks
Ensayo monoceldas
Ensayos de operación
Ensayo stacks
BAJA TEMPERATURA
28
PILAS DE COMBUSTIBLE DE ALTA TEMPERATURA
Pilas de combustible óxidos sólidos (SOFC)
Preparación de cátodos
Preparación de ánodos
• Síntesis de materiales con estructura K2NiF4
• 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
• 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.
29
PILAS DE COMBUSTIBLE DE ALTA TEMPERATURA
Pilas de combustible óxidos sólidos (SOFC)
Ensayos con SOFC Adelan
2.5 cm
30
EU project: FHG-ISE, Nuvera, Air Liquide, Würth, CSIC, INTA, CIEMAT
INTEGRACIÓN DE SISTEMAS
Proyecto FIRST: Hidrógeno solar
31
INTEGRACIÓN DE SISTEMAS
Proyecto FIRST: Hidrógeno solar
ELY
FC
Data acquisition
BAT
Energy management
HSS
Load
32
INTEGRACIÓN DE SISTEMAS
Proyecto FIRST: Hidrógeno solar
15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 250
200
400
600
800
1000
So
lar
po
we
r, W
m-2
Time, days
SOLAR POWER
15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 2510
20
30
40
50
60
70 SOLAR TEMPERATURE
So
lar
tem
p, ºC
Time,days
15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 2575
80
85
90
95
100
BAT SOC
Ba
t so
c, (%
)
Time, days
15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25
50
52
54
56
58
60BAT VOLTAGE
Ba
t, V
Time,days
15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25-12
-10
-8
-6
-4
-2
0
ELY CURRENT
Ely
cu
rre
nt, A
Time,days
15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 250
20
40
60 ELY VOLTAGE
Ely
vo
lta
ge
, (V
)
Time, days
15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25
4
6
8
10
12
14
16
18
20
HYDRIDE PRESSURE
HS
S p
ressu
re, b
ar
Time, days
15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25
0
4
8
12
16
20
24 HYDRIDES TEMPERATURE
HS
S te
mp
, ºC
Time, days
15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25
-4
-2
0
2
4
6
8
10
12
14 BAT CURRENT
Ba
t cu
rre
nt, A
Time, days
15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 2555
56
57
58
59
60MAXIMUM BAT VOLTAGE
Ba
t V
ma
x, V
Time, days
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 Nm3 -
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
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