Estado actual de las pilas de combustible
La investigación sobre pilas de combustible en mi país comenzó en 1958, cuando el Instituto de Investigación de Energía de Tianjin del antiguo Ministerio de Industria Electrónica realizó por primera vez una investigación sobre MCFC. En la década de 1970, impulsada por la industria aeroespacial, la investigación sobre pilas de combustible en China alcanzó su primer clímax. En 1990, el Instituto de Química Aplicada de Changchun de la Academia de Ciencias de China asumió la tarea de investigación PEMFC de la Academia de Ciencias de China y comenzó la investigación sobre pilas de combustible de membrana de intercambio de protones de metanol directo (DMFC) en 1993. En 1993, se inició la investigación sobre pilas de combustible de membrana de intercambio protónico directo de metanol (DMFC). En 1991, el Instituto de Investigación de la Central Eléctrica de Harbin del Ministerio de Industria de Energía Eléctrica desarrolló una batería de principio MCFC compuesta por siete celdas individuales. Durante el período del Octavo Plan Quinquenal, más de diez unidades nacionales, incluido el Instituto Dalian de Física Química de la Academia de Ciencias de China, el Instituto de Investigación de Cerámica de Shanghai y el Instituto de Industria Química y Metalurgia de la Universidad de Tsinghua, llevaron a cabo SOFC. -Investigaciones relacionadas a mediados de la década de 1990, bajo el liderazgo del Ministerio Nacional de Ciencia y Tecnología y bajo la promoción de la Academia de Ciencias de China, la tecnología de pilas de combustible se incluyó en el "Noveno Plan Quinquenal" científico y tecnológico nacional. Plan de investigación, y la investigación sobre pilas de combustible de mi país ha entrado en su segundo clímax. Sin embargo, los científicos chinos han logrado grandes avances en la investigación básica y en las tecnologías individuales de las pilas de combustible, debido a la pequeña cantidad de fondos invertidos. En la investigación de pilas de combustible a lo largo de los años, el nivel general de tecnología de pilas de combustible en nuestro país todavía está muy por detrás del de los países desarrollados. En 1996, los departamentos y expertos pertinentes de nuestro país otorgaron gran importancia al desarrollo de las pilas de combustible en mi país. La tecnología de las celdas se discutió en la Conferencia Científica de Xiangshan en 2000 y 1998, enfatizando la importancia y la necesidad de una investigación y desarrollo independientes de sistemas de celdas de combustible. En 2000, China fortaleció sus esfuerzos de investigación en PEMFC. Ingeniería Eléctrica de la Academia de Ciencias ha completado todas las pruebas de pilas de combustible para vehículos de 30 kW. La empresa Beijing Fuyuan también anunció que proporcionaría pilas de combustible de 40 kW a China y Pakistán y aceptó el pedido en 2001. Se anunció en la 16ª edición de Vehículos Eléctricos. Conferencia de que China instalará su primer vehículo eléctrico de pila de combustible en 2000. Una descripción general de su participación anterior en la investigación de pilas de combustible es la siguiente:
1: Estado actual de la investigación PEMFC
La El primer trabajo de desarrollo de PEMFC en mi país fue el Instituto de Química Aplicada de Changchun. El instituto comenzó a investigar PEMFC en 1990 con el apoyo de la Academia de Ciencias de China. El trabajo se centró principalmente en el desarrollo de catalizadores, procesos de preparación de electrodos y convertidores de metanol. ha fabricado el prototipo 100WPEMFC En 1994, el instituto tomó la iniciativa en la realización de investigaciones sobre pilas de combustible de membrana de intercambio directo de protones de metanol. El instituto estableció relaciones de cooperación a largo plazo con la Universidad Case Western Reserve en los Estados Unidos y el Instituto Dalian de Física Química. La Academia de Ciencias de China ha llevado a cabo investigaciones sobre PEMFC desde 1993 y ha trabajado mucho en la tecnología de electrodos y la estructura de la batería. Ha desarrollado una sola celda con un área de trabajo de 140 cm2 y una potencia de salida. 0,35W/cm2.35W/cm2. /p>
La Universidad de Fudan comenzó el desarrollo de PEMFC de metanol directo a principios de la década de 1990, centrándose en la preparación de membranas de polibencimidazol y procesos de preparación de electrodos en cooperación con la Universidad de Hong Kong. y la Universidad Case Western Reserve en los Estados Unidos para realizar investigaciones sobre PEMFC de metanol directo.
En 1994, la Universidad de Shanghai cooperó con el Instituto del Petróleo de Beijing para llevar a cabo investigaciones sobre PEMFC (investigación del Octavo Plan Quinquenal). , estudiando principalmente la preparación de catalizadores, electrodos y agregados de membranas de electrodos.
Con financiación del Ministerio de Industria de Hidrocarburos, la Universidad de Tecnología de Beijing inició una investigación sobre PEMFC. La densidad de corriente de una sola celda. es 150 mA/cm2.
El Instituto de Ingeniería Termofísica de la Academia de Ciencias de China, comenzó a investigar PEMFC en 1994. Su actividad principal es utilizar métodos de transferencia de calor computacional y dinámica de fluidos computacional para comparar diversas soluciones de calentamiento, humidificación, eliminación de calor y drenaje. , y proponer mejoras en la transferencia de calor y drenaje. A través de la comparación, se propusieron esquemas mejorados de transferencia de calor y masa.
En 1997, el Instituto de Investigación de Energía Eléctrica de Tianjin comenzó a investigar sobre PEMFC, proponiendo introducir baterías de 1,5 kW del extranjero y realizar investigaciones sobre la base del análisis y la absorción de tecnologías extranjeras avanzadas.
En 1995, Beijing Fuyuan Company cooperó con Canadian New Energy Company para desarrollar PEMFC. El prototipo de PEMFC de 5 kW se desarrolló con éxito y comenzó a aceptar pedidos.
II: Breve descripción de la investigación de MCFC
No hay muchas unidades que realicen investigaciones de MCFC en mi país. El Instituto de Investigación de Equipos Eléctricos de Harbin estudió el MCFC a finales de los años 1980, pero detuvo la investigación en esta área a principios de los años 1990.
En 1993, con la financiación de la Academia de Ciencias de China, el Instituto Dalian de Física Química de la Academia de Ciencias de China inició una investigación sobre MCFC. Fabricaron su propio micropolvo de LiAlO2 y prepararon separadores para MCFC por frío. Las células individuales se ensamblaron y su rendimiento alcanzó el nivel internacional a principios de los años 1980.
A principios de la década de 1990, el Instituto de Química Aplicada de Changchun de la Academia de Ciencias de China también comenzó a investigar sobre MCFC y logró grandes avances en el método de preparación del micropolvo LiAlO2 y el uso de compuestos intermetálicos como materiales anódicos de MCFC. .
Con financiación de la Fundación Nacional de Ciencias Naturales de China, la Universidad de Ciencia y Tecnología de Beijing llevó a cabo una investigación sobre MCFC a principios de la década de 1990, estudiando principalmente la interacción entre los materiales de los electrodos y los electrolitos, y propuso el uso de compuestos intermetálicos como material de electrodo para reducir su disolución.
3: Introducción a la investigación SOFC
La primera persona en llevar a cabo investigaciones SOFC fue el Instituto de Cerámica de Shanghai, Academia de Ciencias de China. Llevaron a cabo investigaciones SOFC en 1971, centrándose principalmente. sobre materiales de electrodos SOFC e Investigación sobre materiales de electrolitos. En la década de 1980, la investigación SOFC se llevó a cabo con financiación de la Fundación Nacional de Ciencias Naturales de China, y se estudió sistemáticamente la preparación de membranas de circonio mediante métodos de fundición, centrándose principalmente en la interacción entre los materiales de los electrodos y los electrolitos. Inicialmente dominó la tecnología de preparación de materiales de membranas de circonio, materiales de cátodos y ánodos y estructuras monómeras SOFC mediante métodos de fundición, e inicialmente dominó la tecnología de preparación de nanopolvos de circonio estables y cerámicas densas mediante métodos químicos húmedos. En 1989, con financiación del Fondo Provincial de Ciencia Juvenil de Jilin, la Universidad de Jilin comenzó a investigar sobre electrolitos SOFC, materiales de electrodos positivos y negativos, etc. y los ensambló en celdas individuales, que pasaron la evaluación de la Comisión Provincial de Ciencia y Tecnología de Jilin. En 1995, con una financiación de 4,5 millones de yuanes de la Comisión de Planificación Provincial de Jilin y la Comisión de Planificación Estatal, se estudiaron sucesivamente materiales como electrodos, electrolitos, sellos y acoplamientos. El voltaje del circuito abierto de la celda única alcanzó 1,18 V, la corriente. La densidad alcanzó los 400 mA/cm y el circuito abierto de la celda única. El voltaje alcanza los 1,18 V y la densidad de corriente alcanza los 400 mA/cm.
En 1991, la densidad de corriente era de 400 mA/cm2 y cuatro celdas individuales conectadas en serie podían hacer que las radios y grabadoras funcionaran con normalidad.
En 1991, el Instituto de Industria Química y Metalurgia de la Academia de Ciencias de China llevó a cabo una investigación sobre las SOFC con financiación de la Academia de Ciencias de China y desarrolló células individuales tubulares y planas basadas en materiales con una densidad de potencia de 0,09W/cm2~ 0,12W/cm2, la densidad de corriente es de 150mA/cm2~180mA/cm2 y el voltaje de funcionamiento es de 0,60V~0,65V. En 1994, el voltaje del circuito abierto de una sola celda era de 1,18 V y la densidad de corriente era de 400 mA/cm2. Cuatro celdas individuales en serie podían hacer funcionar radios y grabadoras. En 1994, el instituto introdujo un paquete de baterías SOFC laminadas masivas de 20 W ~ 30 W del Instituto de Electroquímica de la Rama Ural de la Academia de Ciencias de Rusia, con una duración de batería de 1200 horas y basado en la estructura de placa de Siemens de Alemania. el instituto diseñó una nueva estructura hexaédrica que absorbe las ventajas de la estructura tubular no sellada y la estructura tubular no sellada, y es más adecuada para paquetes de baterías SOFC. Esta estructura absorbe las ventajas del tipo tubular no sellado y las celdas están conectadas mediante fieltros metálicos flexibles, que pueden usarse en procesos de preparación cerámica convencionales.
La Universidad Tecnológica del Sur de China realizó una investigación sobre SOFC en 1992 con una financiación de más de 1 millón de yuanes de la Fundación Nacional de Ciencias Naturales, la Fundación de Ciencias Naturales de Guangdong, el Fondo de Investigación Li Ka-shing de la Universidad de Shantou y Guangdong Foshan. Fund, ensambló una celda única tubular, utilizando metano como combustible directo, con una potencia de salida máxima de 4 mW/cm2, una densidad de corriente de 17 mA/cm2 y funcionamiento continuo durante 140 h sin ningún cambio en el rendimiento de la batería. La potencia de salida máxima es de 4 mW/cm2 y la densidad de corriente es de 17 mA/cm2. Después de 140 horas de funcionamiento continuo, el rendimiento de la batería no disminuye significativamente. Los países desarrollados han considerado el desarrollo de pilas de combustible a gran escala como un proyecto de investigación clave. La comunidad empresarial también ha invertido mucho en investigación y desarrollo de tecnología de pilas de combustible y ha logrado muchos resultados importantes que pronto sustituirán a los generadores tradicionales y a la combustión interna. Motores y ser ampliamente utilizado en el campo de generación de energía y automóviles. Vale la pena señalar que este nuevo e importante método de generación de energía puede reducir en gran medida la contaminación del aire y resolver los problemas del suministro de energía y la regulación de los picos de la red eléctrica. En la actualidad, se han comercializado conjuntos completos de equipos de generación de energía con pilas de combustible de 2 MW, 4,5 MW y 11 MW. producción, y algunos países desarrollados han construido diferentes niveles de centrales eléctricas de pilas de combustible. El desarrollo y la innovación de las pilas de combustible serán como el gran avance de la tecnología de los motores de combustión interna que reemplazó a la mano de obra causada por la revolución industrial hace cien años. También será como la revolución informática en la que la invención y la popularización de las computadoras reemplazaron a la mano de obra. como el cálculo, el dibujo y el procesamiento de textos. El desarrollo de las comunicaciones en red cambiará los hábitos de vida de las personas. Las pilas de combustible desencadenarán una revolución verde de nueva energía y protección del medio ambiente en el siglo XXI con su potencial de alta eficiencia, ausencia de contaminación, período de construcción corto, fácil mantenimiento y bajo costo. Actualmente, en América del Norte, Japón y Europa, la generación de energía con pilas de combustible está entrando rápidamente en la etapa de aplicación a escala industrial y se convertirá en la tecnología de generación de energía de cuarta generación en el siglo XXI después de la energía térmica, la energía hidroeléctrica y la energía nuclear. El rápido desarrollo de la tecnología de pilas de combustible en el extranjero debe atraer nuestra atención suficiente. Se ha convertido en un problema que las industrias de la energía y la energía deben afrontar.
Pila de combustible de ácido fosfórico (PAFC)
Afectado por la crisis mundial del petróleo de 1973 y la investigación y desarrollo de PAFC en Estados Unidos, Japón decidió desarrollar varios tipos de pilas de combustible. PAFC, como tecnología de generación de energía con ahorro de energía a gran escala, es desarrollada por la Organización para el Desarrollo de Nuevas Energías y Tecnología Industrial (NEDO). El desarrollo de generadores PAFC in situ de 1000 kW comenzó en 1981, y el generador in situ de 200 kW se desarrolló en 1986 para aplicar generadores PAFC a áreas remotas o con fines comerciales. Fuji Electric es el mayor proveedor de paquetes de baterías PAFC de Japón. En 1992, la empresa había suministrado 17 unidades de demostración PAFC a Japón y al extranjero y, en marzo de 1997, Fuji Electric completó los estudios operativos de una unidad distribuida de 5 MW. Un total de 88 unidades de 50kW, 100kW y 500kW están en funcionamiento como unidades de campo. La siguiente tabla muestra el estado operativo de los equipos de generación de energía entregados por Fuji Electric, algunos de los cuales, en 1998, habían superado la vida útil prevista de 40.000 horas.
Desde la segunda mitad de la década de 1970, Toshiba ha desarrollado una serie de dispositivos de 11MW y 200kW para la generación distribuida de energía, centrados en pilas de combustible descentralizadas. El equipo de 11 megavatios es el equipo de generación de energía de pila de combustible más grande del mundo. Fue construido en la central térmica Onami de la Tokyo Electric Power Company en 1989. Después de generar energía con éxito a principios de marzo de 1991, continuó funcionando durante 5 años hasta convertirse en el primero. puesto en funcionamiento en mayo de 1996. uso. Después de que la unidad de 11 MW generara energía con éxito a principios de marzo de 1991, después de más de cinco años de pruebas de campo, en mayo de 1996, el tiempo de funcionamiento acumulado superó las 20.000 horas y la eficiencia de generación de energía alcanzó 43,6 en condiciones operativas nominales. En el campo de las pequeñas pilas de combustible in situ, Toshiba Corporation y la American IFC Company fundaron ONSI en 1990, dedicada a la comercialización de pilas de combustible in situ, y comenzaron a vender globalmente la serie "PC25" de dispositivos de campo de 200 kilovatios.
Desde finales de 1991 hasta abril de 1998, se vendieron y pusieron en funcionamiento 174 pilas de combustible de la serie PC25 en todo el mundo. Entre ellos, el tiempo de funcionamiento acumulado de un equipo instalado en una empresa de Estados Unidos y el equipo Osaka Gas No. 2 instalado en el Centro Umeda en Osaka, Japón, ha superado las 40.000 horas. En términos de longevidad y confiabilidad de las celdas de combustible, un tiempo de funcionamiento acumulado de 40.000 horas es un objetivo a largo plazo para las celdas de combustible. Toshiba Oncé ha completado el desarrollo del modelo comercial de tamaño completo PC25C y lo ha lanzado al mercado. Como pionero de las nuevas energías en el siglo XXI, ganó el "Japan Business Award". Desde la perspectiva de la comercialización de pilas de combustible, el dispositivo se considera muy avanzado, fiable y respetuoso con el medio ambiente. Su coste de fabricación es de 3.000 dólares EE.UU./kW, mientras que el coste del PC25D comercial bajará a 1.500 dólares EE.UU./kW. Su volumen es 1/4 menor que el del PC25C y su masa es de sólo 14 toneladas. En 2001, se construirá en China la primera central eléctrica de pila de combustible PC25C, financiada principalmente por el MITI de Japón (NEDO).
Celda de combustible de membrana de intercambio de protones (PEMFC)
La famosa Canadian Ballard Company es el líder mundial en tecnología de celdas de combustible de membrana de intercambio de protones. El rango de aplicaciones de esta tecnología abarca desde el transporte hasta el estacionario. Power Station y su filial Ballard Generation Systems son consideradas el líder mundial en el desarrollo, producción y comercialización de pilas de combustible de membrana de intercambio de protones de cero emisiones. El producto inicial del BallardGenerationSystem es una central eléctrica de pila de combustible de 250 kilovatios, cuyo componente básico es Ballard FuelCell, que utiliza hidrógeno (derivado del metanol, gas natural o petróleo) y oxígeno (derivado del aire) para generar electricidad sin combustión. BallardFuelCell ya se utiliza en centrales eléctricas estacionarias: BallardGenerationSystem, GPUInternationalInc., AlstomSA y EBARA*** en empresa conjunta con BallardGenerationSystem, AlstomSA y EBARA. BallardGenerationSystem*** está trabajando con BallardGenerationSystem, AlstomSA y EBARA para desarrollar centrales eléctricas de pilas de combustible de menos de un kilovatio. Después de 5 años de desarrollo, la primera central eléctrica de 250 kW generó electricidad con éxito en agosto de 1997 y fue enviada a Indiana Energy Company en septiembre de 1999, donde se sometió a pruebas, evaluaciones y diseños exhaustivos para mejorar el rendimiento y se redujeron los costos y se construyó una segunda central eléctrica. Fue construido, instalado en Berlín con una potencia de 250 kW y probado por primera vez en Europa. Poco después, la tercera unidad de 250 kW de Ballard se instaló en Suiza para realizar pruebas de campo en septiembre de 2000. Posteriormente, Ballard, a través de su socio EBARA Ballard, amplió su mercado a Asia instalando su cuarto equipo de pila de combustible en NTT Corporation en Japón en octubre de 2000. Las pruebas en diferentes regiones contribuirán en gran medida a la comercialización de plantas de energía de pilas de combustible. El primer dispositivo comercial saldrá al mercado a finales de 2001. La siguiente imagen es una planta de energía de pila de combustible Ballard instalada en los Estados Unidos que Cinergy está probando.
La imagen muestra la central eléctrica de pila de combustible PEMFC de 250 kilovatios instalada en Berlín:
En Estados Unidos, PlugPower es la mayor empresa de desarrollo de pilas de combustible de membrana de intercambio de protones, y su objetivo es desarrollar y fabricar sistemas de pilas de combustible económicos para hogares y automóviles.
Los módulos PlugPower fueron los primeros en convertir con éxito gasolina en electricidad en 1997, cuando PlugPower desarrolló el sistema de energía descentralizado residencial patentado PlugPower 7000. A principios de 2001 se lanzó un producto comercial. El despliegue de pilas de combustible residenciales supondrá un desafío para las plantas de energía nucleares y de gas. Para promover este producto, PlugPower y GEMicroGen establecieron una empresa conjunta en febrero de 1999. El producto pasó a llamarse GEHomeGen7000 y GEMicroGen fue responsable de la promoción global. El producto proporciona 7 kilovatios de energía continua, y GE/Plug afirma que se venderá a 1.500 dólares/kW a principios de 2001, y espera que el precio baje a 500 dólares/kW para las pilas de combustible producidas en masa cinco años después. Suponiendo que 200.000 hogares tengan cada uno 7 kilovatios de generación de energía con pilas de combustible instalados, lo que en total está cerca de la capacidad de generación de energía de una planta de energía nuclear, este sistema de generación distribuida se puede utilizar para proporcionar energía máxima. Este sistema de generación de energía distribuida se puede utilizar para el suministro de energía pico y, debido a que el diseño del sistema distribuido aumenta la estabilidad de la energía, incluso si ocurren algunas fallas, todo el sistema de generación de energía puede operar normalmente. Liderados por Ballard, muchos fabricantes de automóviles que participan en el desarrollo de vehículos de pila de combustible, como Chrysler, Ford, General Motors, Honda, Nissan, Volkswagen Volkswagen AG y Volvo, etc., utilizan los productos de Ballard en muchas de sus pilas de combustible. Mientras Ballard produce pilas de combustible, también invierte mucho dinero en el desarrollo de pilas de combustible. Chrysler inyectó 450 millones de dólares canadienses a Ballard para el desarrollo de vehículos con pilas de combustible, lo que promovió en gran medida el desarrollo de PEMFC. En 1997, Toyota construyó un RAV4 Roadster equipado con un convertidor de metanol, que estaba propulsado por una pila de combustible de 25 kilovatios y una pila seca auxiliar con kilovatios de energía. La velocidad máxima puede alcanzar los 125 kilómetros por hora y la distancia de conducción puede alcanzar los 500 kilómetros. Todas estas importantes empresas automovilísticas tienen planes de desarrollo de pilas de combustible. Aunque el momento para la comercialización de vehículos de pila de combustible aún no ha llegado, varias de ellas ya han formulado calendarios para iniciar la producción en masa. saldrá a la venta. Mercedes-Benz ha anunciado que producirá 40.000 vehículos de pila de combustible al año hasta 2004. Por tanto, es muy probable que la producción de vehículos de pila de combustible alcance las 100.000 unidades en los próximos diez años.
Celda de combustible de carbonato fundido (MCFC)
A principios de la década de 1950, la pila de combustible de carbonato fundido (MCFC) atrajo la atención mundial debido a su potencial para la generación de energía civil a gran escala. . Desde entonces, MCFC se ha desarrollado rápidamente, con grandes mejoras en los materiales, procesos y estructuras de la batería. Sin embargo, la vida útil de la batería no es la ideal. En la década de 1980, se adoptó como pila de combustible de segunda generación y se convirtió en el principal objetivo de la investigación para lograr centrales eléctricas de pila de combustible comerciales a escala de megavatios, mientras que la velocidad de desarrollo iba en aumento. Se espera su comercialización en 2002.
El Departamento de Energía de Estados Unidos (DOE) asignó 44,2 millones de dólares para gastos de investigación en centrales eléctricas de pilas de combustible estacionarias en el año 2000, de los cuales 2/3 se utilizaron para desarrollar MCFC y 1/3 se utilizó para desarrollar SOFC. . El desarrollo de la tecnología MCFC en los Estados Unidos lo llevan a cabo principalmente dos grandes empresas, a saber, ERC (Energy Research Corporation) (ahora FuelCellEnergyInc.) y M-CPower Inc. Construyen pilas de MCFC mediante diferentes métodos.
Ambas empresas han entrado en la fase de demostración de campo: ERC llevó a cabo una prueba de demostración de una planta MCFC de 2 MW en Santa Clara, California, en 1996 y actualmente está buscando un sitio para una prueba de planta de 3 MW. Basándose en los resultados de la prueba, ERC rediseñó la batería de la pila original de 125 kilovatios a una pila de una sola celda de 250 kilovatios, lo que permitió instalar un MCFC de 3 MW en un sitio de 0,1 acre, reduciendo así los costos de inversión. El ERC proyecta un costo de equipo de $1,200/kW para una unidad de 3 MW, cercano al costo de equipo de $1,000/kW para un pequeño generador de turbina de gas. Sin embargo, la pequeña generación de energía a gas tiene sólo un 30% de eficiencia y presenta problemas de emisiones y ruido. Mientras tanto, M-CPower ha probado una unidad de 250 kilovatios en la Estación Aérea Naval de San Diego, California, y planea probar una unidad modificada de 75 kilovatios en el mismo lugar.
La investigación japonesa sobre MCFC comenzó con el "Proyecto Moonlight" en 1981. Después de 1991, se centró en pilas de combustible que costaban entre 1,2 y 150 millones de dólares al año. En 1990, el gobierno añadió 200 millones de dólares adicionales. , utilizado específicamente para el estudio de MCFC. En 1984, la potencia de la batería era de 1 kilovatio y en 1986 era de 10 kilovatios. Japón estudió tecnologías de conversión interna y externa y en 1991 se puso en servicio el MCFC de conversión interna indirecta de clase 30 kW y en 1992 se puso en servicio el de clase 50-100 kW. En 1994, Hitachi e Ishikawashima Harima Heavy Industries completaron dos MCFC de 100 kW con un área de electrodo de 1 metro cuadrado y utilizando tecnología de conversión externa presurizada. En 1994, Hitachi e Ishikawashima Harima Heavy Industries completaron respectivamente dos MCFC presurizados modificados externamente de 100 kW con un área de electrodo de 1 metro cuadrado. El MCFC modificado externamente de 1 MW fabricado por Chubu Electric Power Company se está instalando en la central térmica de Kawagoe. Se espera que la potencia térmica La eficiencia supere los 45 y la vida útil cuando se utilice gas natural como combustible supere las 5.000 horas. El MCFC de 30 kW reformado internamente, desarrollado en colaboración con el ERC de EE. UU., funcionó durante 10.000 horas. Para promover el desarrollo de la investigación de MCFC, Japón creó la Asociación de Investigación de MCFC en 1987, que es responsable de la investigación del funcionamiento de pilas de combustible, equipos periféricos de centrales eléctricas y tecnología de sistemas. Actualmente, ha unido 14 unidades para convertirse en la principal. fuerza de la investigación y el desarrollo japoneses.
Europa formuló el Plan Joule ya en 1989, con el objetivo de establecer centrales eléctricas de "segunda generación" con baja contaminación ambiental, instalación descentralizada y una potencia de 200MW, incluidas MCFC, SOFC y PEMFC. , que asigna tareas a cada país. Se han realizado investigaciones sobre MCFC principalmente en los Países Bajos, Italia, Alemania, Dinamarca y España. La investigación de MCFC en los Países Bajos comenzó en 1986. En 1989 se desarrolló una pila de baterías de clase de 1 kW. En 1992, se realizaron pruebas en una pila de baterías de tipo de conversión externa de clase de 10 kW y en una pila de baterías de tipo de conversión interna de 1 kW. En 1995, se realizaron dos pruebas. Se llevaron a cabo pruebas de funcionamiento de un sistema de 250 kW utilizando gas de carbón y gas natural. Italia comenzó a implementar el plan nacional de investigación MCFC en 1986 y desarrolló pilas de baterías de 50 a 100 kW entre 1992 y 1994. La empresa italiana Ansodo firmó un acuerdo de tecnología MCFC con la empresa IFC y ha instalado equipos de producción automatizados para celdas individuales (área de 1 m2). la capacidad de producción anual es de 2-3MW, que puede ampliarse a 6-9MW. La empresa alemana MBB completó una conversión externa de 10 kW y una pila de baterías de conversión interna de 1 kW en 1992. En 1992, MBB completó el desarrollo de la tecnología de conversión externa de clase de 10 kW y, con la ayuda de ERC, llevó a cabo pruebas operativas y de fabricación de paquetes de baterías de clase de 100 kW y de 250 kW de 1992 a 1994. MBB tiene actualmente el paquete de baterías más grande del mundo con 280 kW.
Los datos muestran que, en comparación con otras pilas de combustible, MCFC tiene las siguientes ventajas únicas:
a. La eficiencia de generación de energía es mayor que la de las pilas de combustible de PC. La eficiencia de generación de energía es mayor que la del PAFC;
b. No se requiere platino costoso como catalizador y el costo de fabricación es bajo
c. combustible;
d. Dado que la temperatura de funcionamiento del MCFC es de 600-1000 °C, los gases de escape se pueden utilizar como combustible. A 1.000°C, los gases de escape pueden utilizarse para calentar o combinarse con una turbina para generar electricidad. Si se combina la generación de energía, la eficiencia se puede aumentar a 80;
e. Economías pequeñas y medianas En comparación con varios métodos de generación de energía, cuando el índice de carga es superior a 45, el costo de la energía MCFC. El sistema de generación es el más bajo. Aunque la inversión inicial de MCFC es mayor en comparación con PAFC, el costo de combustible de PAFC es mucho mayor que el de MCFC. Cuando el sistema de generación de energía es de tamaño pequeño y mediano distribuido, la economía de MCFC es más prominente;
f. La estructura de MCFC es más simple que la de PAFC.
Celda de combustible de óxido sólido (SOFC)
SOFC consiste en un electrolito hecho de cerámica como circonia estabilizada con itria (YSZ) para excitar iones de oxígeno y un electrodo de combustible poroso que excita los electrones. Composición del polo aéreo. El oxígeno en el aire se oxida en la interfaz electrodo de aire/electrolito. Bajo la acción de la diferencia de oxígeno entre el aire y el combustible, se mueve hacia el lado del electrodo de combustible en el electrolito y reacciona con el hidrógeno o el monóxido de carbono en el combustible. interfaz del electrolito del combustible, formando vapor de agua o dióxido de carbono y emitiendo electrones. Los electrones pasan por el circuito externo y regresan nuevamente al electrodo de aire, donde se genera energía eléctrica.
Las características de SOFC son las siguientes:
Debido a la alta temperatura (600-1000 °C), se puede obtener una generación de energía de alta eficiencia superior a 60 estableciendo un fondo -bucle lateral.
Dado que los iones de oxígeno se mueven en el electrolito, el CO y el gas vaporizado también se pueden utilizar como combustible.
Dado que el cuerpo de la batería está hecho de materiales sólidos, el electrolito no se evaporará ni fluirá. Además, el electrodo de combustible y el electrodo de aire no se corroerán. l La temperatura de funcionamiento es alta y se puede realizar un reformado interno, como el metano.
En comparación con otras pilas de combustible, su sistema de generación de energía es muy simple y se espera que se utilice ampliamente, desde equipos de capacidad relativamente pequeña hasta equipos de gran escala.
En el campo de las centrales eléctricas fijas, SOFC tiene ventajas evidentes en comparación con PEMFC. Las SOFC requieren una manipulación mínima de combustible, el reformado interno, la integración interna del calor y el colector interno simplifican el diseño del sistema, y es fácil coproducir SOFC con turbinas de gas y otros equipos para producir calor y energía eficientes. La siguiente imagen es la primera central eléctrica híbrida SOFC y turbina de gas del mundo desarrollada por Siemens-Westinghouse. Fue instalada en la Universidad de California en mayo de 2000, con una potencia de 220 kilovatios y una eficiencia de generación de energía de 58. La futura eficiencia de generación de energía mediante SOFC/turbinas de gas alcanzará 60-70.
SOFC se denomina pila de combustible de tercera generación y actualmente se encuentra bajo investigación y desarrollo activo. Es uno de los nuevos métodos emergentes de generación de energía. Estados Unidos es el primer país del mundo en investigar SOFC, y Westinghouse Electric Company en Estados Unidos desempeña un papel particularmente importante y se ha convertido en la institución más autorizada en la investigación de SOFC. Ya en 1962, Westinghouse Electric Company utilizó metano como combustible y realizó pruebas actuales en el dispositivo de prueba SOFC, y señaló que los combustibles de hidrocarburos deben completar dos procesos básicos de conversión catalítica de combustible y reacción electroquímica en SOFC, que es la base de SOFC. El desarrollo sentó las bases. En los siguientes 10 años, la empresa cooperó con la organización OCR para conectar 400 pequeños electrolitos cilíndricos de ZrO2-CaO para intentar producir baterías de 100 W, pero esta forma no era conveniente para dispositivos de generación de energía a gran escala. En la década de 1980, con el fin de desarrollar nuevas fuentes de energía y aliviar la crisis energética provocada por la escasez de recursos petroleros, se desarrolló vigorosamente la investigación sobre las SOFC.
Westinghouse Gas Company de Estados Unidos aplicó tecnología de deposición electroquímica de vapor al proceso de preparación de membranas de electrodos y electrolitos SOFC, reduciendo el espesor de la capa de electrolito al nivel de micras y mejorando significativamente el rendimiento de la batería, abriendo así un nuevo capítulo en la investigación de SOFC. A mediados y finales de la década de 1980, comenzó la investigación y el desarrollo de pilas de baterías SOFC de alta potencia. En 1986, se operó con éxito un paquete de baterías SOFC tubular de 400 vatios en Tennessee.
Pilas de combustible
Además, algunos otros sectores en Estados Unidos también tienen ciertas capacidades en SOFC. PPMF en Pittsburgh es una importante base de producción para la comercialización de la tecnología SOFC. Cuenta con equipos completos de procesamiento de componentes de baterías SOFC, ensamblaje de baterías y pruebas de calidad de baterías. Actualmente es el centro de investigación y desarrollo de tecnología SOFC más grande del mundo. En 1990, el centro construyó una unidad SOFC de 20 kW para el Departamento de Energía de EE. UU. que funcionaba con gas canalizado y ha funcionado de forma continua durante más de 1.700 horas. Al mismo tiempo, el centro también proporcionó dos juegos de equipos de prueba SOFC de clase 25kW a las compañías japonesas de gas de Tokio y Osaka y a la compañía de energía eléctrica de Kansai, uno de los cuales es un dispositivo combinado de calor y energía. Además, el Laboratorio Nacional Argonne en los Estados Unidos también ha investigado y desarrollado una pila de baterías SOFC de placa corrugada laminada y ha desarrollado métodos de fundición y laminación adecuados para el moldeo de este material estructural. Como resultado, la densidad de energía de la batería ha mejorado significativamente y es una estructura SOFC prometedora. En Japón, la investigación SOFC forma parte del "Proyecto Moonlight". Ya en 1972, el Instituto de Investigación de Tecnología Electrónica de Japón comenzó a investigar la tecnología SOFC y luego se unió a las filas de investigación y desarrollo del "Proyecto Moonlight". En 1986, desarrolló un paquete de baterías SOFC de tubo redondo de 500 W y formó una potencia de 1,2 kW. unidad de generación. En julio de 1987, Power Development Company cooperó con estas dos empresas para desarrollar una pila de baterías SOFC de tubo redondo de 1 kW, y la operación de prueba continua alcanzó las 1000 h. En julio de 1987, Power Development Company cooperó con estas dos empresas para desarrollar una pila de baterías SOFC de tubo redondo de 1 kW. Funcionó de forma continua durante 1000 horas y la potencia de salida máxima alcanzó 1,3 kW. Kansai Electric Power Company, Tokyo Gas Company, Osaka Gas Company. , etc. de los Estados Unidos Westinghouse Electric Company introdujo pilas de baterías SOFC de tubo redondo de 3kW y 2,5kW para realizar pruebas y logró resultados satisfactorios. Desde 1989, Tokyo Gas Company también ha comenzado a desarrollar dispositivos SOFC de placa plana de gran superficie. En junio de 1992, completó un dispositivo SOFC de placa plana de 100 W con un área efectiva de batería de 400 cm2. La potencia de las SOFC de panel plano desarrolladas por Fujifilm y Sanyo ha alcanzado ya el nivel de los kilovatios. Además, Chubu Japan Electric Power Company y Mitsubishi Heavy Industries comenzaron a investigar y evaluar exhaustivamente los sistemas SOFC de placa laminada corrugada en 1990 y desarrollaron un dispositivo de prueba de 406 W con un área efectiva de una sola celda de 131 cm2.
En Europa, ya en la década de 1970, el Instituto Central de Investigación de Heidelberg, Alemania, desarrolló una SOFC con una estructura de electrolito de tubo circular o semicircular, y el rendimiento operativo de una sola celda era bueno. A finales de la década de 1980, bajo la influencia de Estados Unidos y Japón, las instituciones financieras europeas promovieron activamente la comercialización de SOFC en Europa. Las alemanas Siemens, DomierGmbH y ABB Research están trabajando en el desarrollo de dispositivos de generación de energía SOFC de pantalla plana a escala de kilovatios. Siemens también desarrolló una celda única SOFC de placa plana abierta con un área efectiva de electrodo de 67 centímetros cuadrados en cooperación con el Centro de Energía de los Países Bajos (ECN). ABB Research desarrolló en 1993 un dispositivo mejorado de generación de energía SOFC de kilovatios de placa plana, que es una estructura bipolar de metal, y realizó experimentos a una temperatura de 800°C con buenos resultados. Actualmente se está considerando convertirlo en un sistema de generación de energía SOFC de nivel 25~100kW para aplicaciones domésticas o comerciales.