GRUPO DE PILAS DE COMBUSTIBLE CIEMAT CSIC-ICP Gonzalez.pdf · 2 OBJETIVOS Desarrollo y aplicaciones...

1

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


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


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



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


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



2.- Producción de hidrógeno

Electrolisis y reformado

PROYECTOS

18



2.- Producción de hidrógeno

Electrolisis y reformado

PROYECTOS

19



3.- Aplicaciones estacionarias

UPS, cargador, vivienda

PROYECTOS

20



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


CIEMAT

Unidad de Pilas de Combustible e Integración de Sistemas

[email protected]

FIN

mailto:[email protected]

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

http://www.coex.com.ar/imagenes/productos/pipeta1.jpg

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


Proyecto FIRST: Hidrógeno solar

31



ELY

FC

Data acquisition

BAT

Energy management

HSS

Load

32



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

33


PROYECTOS

Third day operation

Operación durante un día

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