Early Markets: Hidrogénio e Pilhas de Combustível

C. M. Rangel, R.A. Silva

INETI, Unidade de Electroquímica de Materiais, DMTP Paço do Lumiar, 22, 1649-038 – Lisboa, Portugalcarmen.rangel@ineti.pt

Torres Vedras, November 2008

Sociedade do Hidrogénio, um Desafio para PortugalIniciativas para uma Plataforma Tecnológica

Introdução

Early markets

BarreirasTecnológicase de Aceitação

Custo

Durabilidade

Educação/divulgação

Cenário Energético Actual

Aumento nas necessidades energéticas: Soluções adequadas em tempo realEmissões de gases que contribuem para o efeito estufa: alterações climáticas

Volatilidade nos preços dos combustíveis

Instabilidade geopolítica das regiões produtoras

Emergência e crescimento de novas economias

Power generation global (expected new coal plants)

Emissões CO2

Livro verde - Estratégia Europeia para uma energia sustentável, competitiva e segura

Adaptar o nosso Sistema Energético

Mais sustentávelMenos dependente de combustíveis fósseis importados

Diversificação da oferta de energia compatível comFontes renováveis (aumento 6 12 % 2010)Vectores energéticos não poluentesAumento da eficiência energética (redução consumo 20% para 2020)

Hidrogénio e Pilhas de Combustível

Soluções atractivas- Ambiente Eficiência Custo

Investimentos para um novo paradigma

I&DEducação Orientada

Divulgação

Remover barreiras tecnológicas e de

aceitação

Tendências

• Número cumulativo de pilhas de combustível 30,000

• 20% (estacionárias de peq. potência); 50 novas unidades (20 MW) em 2007

• Principais mercados são tipo niche em aplicações portáteis e de transporte (aumentando)

• DMFC e PEMFC dominam pre-mercados (>95%);

• E a Europa?

Pilhas de CombustívelEntrada no Mercado

Early Market Applications KEY TARGETS:• Distributed Power: $750/kW and

40,000-hour durability (with 40% efficiency) by 2011

• APUs: Specific power of 100 W/kg and power density of 100 W/L by 2010

• Portable Power: Energy density of 1,000 W-h/L by 2010

Early markets for

stationary, backup

power, and specialty

applications will lower

costs and grow the

manufacturing base.

Fuel cell R&D is focused on early market applicationsFuel cell R&D is focused on early market applications

Pilhas de Combustível – Previsão Mercado

Aplicações Portáteis

ConfigurationShape and layoutNumberCross sectional sizelenght

Mercados Potenciais para Pilhas de Combustível para Aplicações Portáteis

Durability- ability to resist permanent change in performance over time

Reliability- ability to perform the required function

Cost

PEM Fuel Cells: Technology matures, timescale to commercialisation decreases.....

Lifetime requirements for transportation or stationary applications have not been met

Need for a more comprenhensive knowledge of materials ageing mechanism

275 *

30

2002 Baseline

$ /

kW

2015 Target

Fuel Cell SystemCost Status vs. Targets

2006 Status

107 *

*projected to high volume production of 500,000 units/year

275 *

30

2002 Baseline

$ /

kW

2015 Target

Fuel Cell SystemCost Status vs. Targets

2006 Status

107 *

*projected to high volume production of 500,000 units/year

2003 Status

2015 Target

Fuel Cell SystemDurability Status vs. Targets

Ho

urs

10002000

5000

2006 Status

2003 Status

2015 Target

Fuel Cell SystemDurability Status vs. Targets

Ho

urs

10002000

5000

2006 Status

Platinum, $2,956

Misc., $527

Stack Balance,

$639

Fuel System,

$340

Air System, $1,085

Cooling System,

$340Humidity System,

$640

MEA without Pt,

$790

Assembly, $436

TIAX Fuel Cell System 80 kW Direct H2

Cost = $97/kW (net), $7760

Stack46%

Humidity Management

8%

Thermal Management

4%

Air Management20%

Fuel Management6%

Misc8%

Assembly8%

Pilhas de CombustívelCusto Estimado para Sistema, Stack e

Componentes

Platinum cost is ~60% of total stack cost

Catalyst durability needs improvement

as low as $67/kW for 500,000 units/year, stack 46% of system cost.

Membrane8%

Electrode57%

GDL6%

Bipolar Plate9%

Seal6%

BOS3%

Final Assembly11%

2007 TIAX Interim estimate

Stack

Desafios comercialização

• Materiais (electrocatalisadores, membranas, componentes)

• Mecanismos de transporte (modelos)

• Ferramentas de Diagnóstico (electroquímicos, outros)

• Estabilidade- longo prazo (medidas de propriedades relevantes) –Aumento da durabilidade de componentes PC

• Correlacionar procedimentos para testes acelerados com os protocolos de teste para PC

Selecção de Novos Materiais e Condições de Operação para Pilhas de Combustível tipo PEM

24 membranes (membrane electrode assembly)25 W8 to 24 V370 mW/cm2

325 mW/ cm3

446 mohm/cm2

3 mV/hr1500 hr95x55x20 mm196 g5 - 40ºC

Fuel cell stackNominal power (theoretical)Output voltagePower densityVolume power densityOhmic resistance per MEAVoltage decay at 0,5 AUseful functioning lifetimeDimensionsWeightTemperature

25SR4-A

0,0

5,0

10,0

15,0

20,0

0 1 2 3 4

Current, A

Volta

ge, V

0

8

16

24

32

P (W

)

Desenvolvimento de uma pilha de combustível PEM

Projecto n.º 70/00244LUCIS / Projecto DEMTEC

Demonstração de Pilhas de Hidrogénio em Ambiente Real

DMTP Unidade de Electroquímica de Materiais

INETI

Armazenamento de hidrogénioutilizando Hidreto Metálico para uma autonomia de ~ 5 h

1 2 3 4 5 6 7 8 9 101112 1314 1516

0

2.3

4.7

10

15

21

30

3540

5060

7390

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

E/V

celulas

t/min.

Estabilidade célula a célula no “stack” em operação após “black-out”

Instituto Nacional de Engenharia, Tecnologia e Inovação, I.P.

Projecto n.º 70/00244LUCIS / Projecto DEMTEC

Demonstração de Pilhas de Hidrogénio em Ambiente Real

Aplicação: UPS - Bancada de Ensaios Electroquímicos UEQM/Edifício C. INETI

Validação de tecnologias

LUCIS DEMTEC

Sistema híbrido, energia solar e energia eólica com sistema de Pilhas de Combustível a Hidrogénio.

EDEN- PPS4-INETI

Permobil, INETIConformidade EN -12184

INETI, SREConformidade Norma CEI-62282

Autosil, SRE, INETIIntegração, Engenharia e Teste

INETI (teste de ligas), Labtech (fornecimento de ligas e reactor)

Hidretos Metálicos

INETI (desenho e preparação de placas bipolares); SRE (montagem da pilha)

Fuel Cell

PermobilCadeira de Rodas

ParceirosProjecto de Conversão

Sistema híbrido

Comentários Finais- Algumas Barreiras Comercialização

Durabilidade/fiabilidade

Custo

Produção em massa

Aceitação por parte do consumidor/educação/percepção da tecnologiaCódigos/Normas

Testes de Desempenho e Certificação

Infra-estrutura

Pilhas de Combustível

Comentários Finais- Algumas Barreiras - Hidrogénio

Produção ( avanços técnicos para reduzir custos e aumentar eficiência)

Transporte e distribuição (infra-estruturas e investimentos)

Armazenamento (IDT, tecnologias actuais não são satisfatórias)

Conversão e uso final (Custo e desempenho, aceitação)

Regulamentação, códigos, normativas ( do laboratório para o mercado)

Aceitação (informar, educar para uma mudança de paradigma).

LISBON, 1-3 April 2009LISBON, 1-3 April 2009

TopicsTopics

Hydrogen Systems and Materials for Sustainability Hydrogen Systems and Materials for Sustainability

Fundamentals, Modelling and SimulationFundamentals, Modelling and SimulationHydrogen ProductionHydrogen Production

Hydrogen Storage and DistributionHydrogen Storage and DistributionFuel Cells in TransportationFuel Cells in Transportation

Fuel Cells in Stationary Systems Fuel Cells in Stationary Systems Hydrogen and Portable Fuel CellsHydrogen and Portable Fuel CellsBio-hydrogen and Bio-fuel CellsBio-hydrogen and Bio-fuel CellsSafety, Standards, RegulationsSafety, Standards, Regulations

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Full paper deadline: 31 January 2009

Hydrogen Power Theoretical and Engineering Solutions

International Symposium

Selected papers will be published in International Journal of Hydrogen Energy