Aplicación y desarrollo de la pila de combustible de óxido sólido

Este artículo presenta el principio y los escenarios de aplicación de la pila de combustible de óxido sólido, así como su desarrollo en China, Estados Unidos, Japón, Europa y Corea del Sur.

Qué es la pila de combustible de óxido sólido

La pila de combustible de óxido sólido (SOFC) es actualmente la pila de combustible más eficiente, también conocida como pila de combustible cerámica, es una pila de combustible totalmente de estado sólido que convierte eficazmente la energía química de varios gases combustibles (gas natural, gas de vertedero, gas de hulla, metanol, etc.) en energía eléctrica a temperaturas medias y altas.

La estructura del grupo de pilas de combustible de óxido sólido es principalmente: tubular, planar y única. Entre ellas, la de tipo planar se ha convertido en la tendencia de desarrollo de las pilas de combustible de óxido sólido debido a su alta densidad de potencia y bajo coste de fabricación.

El principio de funcionamiento de la pila de combustible de óxido sólido es el mismo que el de otras pilas de combustible, equivalente en principio al dispositivo "inverso" de electrólisis del agua. Su célula única se compone de ánodo, cátodo y electrolito de óxido sólido.

El ánodo es el lugar donde se oxida el combustible y el cátodo es el lugar donde se reduce el oxidante. Ambos electrodos contienen catalizadores que aceleran la reacción electroquímica de los mismos. En funcionamiento, equivale a una fuente de alimentación de corriente continua, su ánodo es el polo anódico de la fuente de alimentación, y el cátodo es el polo catódico de la fuente de alimentación.

Ventajas y características de la pila de combustible de óxido sólido

Las ventajas de las pilas de combustible de óxido sólido están en consonancia con la liberalización del mercado energético, el refuerzo de la conciencia medioambiental y la tendencia a la generación de energía distribuida. Las características más atractivas del sistema de pilas de combustible de óxido sólido son su alta eficiencia, su gran adaptabilidad a los combustibles y sus emisiones casi nulas de partículas, NOx y SOx.

Si se comparan las especificaciones económicas y técnicas establecidas por los sistemas de la competencia, como los motores de gas, las turbinas de gas y las centrales de ciclo combinado, el sistema combinado de pila de combustible de óxido sólido presenta ventajas más evidentes que la tecnología existente en términos de eficiencia eléctrica, eficiencia en carga parcial y emisiones. Las características específicas de la pila de combustible de óxido sólido son las siguientes.

(1) La temperatura de trabajo de la pila de combustible de óxido sólido puede alcanzar los 1000 grados Celsius, que es actualmente la temperatura de trabajo más alta de todas las pilas de combustible. La generación combinada de calor y electricidad mediante la tecnología de recuperación de calor puede obtener una eficiencia combinada de calor y electricidad superior a 80%.

(2) El electrolito de la pila de combustible de óxido sólido es sólido, por lo que no hay problemas de evaporación del electrolito ni de fugas. Además, no hay problemas de corrosión del electrodo, y la vida útil es larga. Además, como los materiales de la célula que la componen son todos sólidos, la forma de la pila es flexible.

(3) El funcionamiento directo de la pila de combustible de óxido sólido puede generar electricidad, y el funcionamiento inverso es la pila electrolítica de óxido sólido (SOEC). La SOEC puede utilizar calor residual y electricidad renovable. Al mismo tiempo, el vapor de agua a alta temperatura y el CO₂ a alta temperatura pueden utilizarse en aplicaciones a gran escala de la tecnología SOEC. La eficiencia de la electrólisis es de 85% a 95%, muy superior a la de otras tecnologías de electrólisis del agua.

(4) La SOFC reacciona químicamente a alta temperatura, por lo que no es necesario utilizar metales preciosos como catalizadores, y tiene capacidad de reformado interno, pudiendo utilizar directamente hidrógeno, hidrocarburos (metano), metanol, etc. como combustible, lo que simplifica el sistema de baterías.

(5) La SOFC puede proporcionar calor residual de alta calidad, realizar la cogeneración de calor y electricidad, tener una alta tasa de utilización de combustible, y la tasa de utilización de energía es tan alta como alrededor de 80%. Se trata de un sistema energético limpio y eficiente.

(6) La pila de combustible de óxido sólido tiene una densidad de corriente y una densidad de potencia elevadas.

(7) El diseño del sistema de pila de combustible de óxido sólido es sencillo, la capacidad de generación de energía es grande y la aplicación es relativamente amplia.

(8) La SOFC es una estructura totalmente sólida, que puede evitar problemas como la corrosión y la pérdida de electrolito causados por el uso de electrolitos líquidos. La estructura totalmente sólida también favorece el diseño modular de la batería, mejora la capacidad específica de volumen de la batería y reduce los costes de diseño y producción.

(9) La pila de combustible de óxido sólido es compatible con los combustibles tradicionales, pero su tiempo de arranque es largo, por lo que es adecuada como unidad de potencia auxiliar para coches de lujo, vehículos recreativos y camiones pesados.

Escenarios de aplicación de la pila de combustible de óxido sólido

Las pilas de combustible de óxido sólido pueden aplicarse a la generación de energía distribuida, energía de reserva y cogeneración, y pueden utilizarse en la producción de hidrógeno, estaciones de suministro de energía integral, almacenamiento de energía, conservación de energía química, aplicaciones de transporte (principalmente utilizadas en extensores de autonomía de vehículos comerciales y energía auxiliar de barcos), etc.

El sistema de microgeneración de energía basado en pilas de combustible de óxido sólido también se está expandiendo al campo de la alimentación portátil, está relacionado con nuestro producto estación de baterías portátilEsto se debe principalmente a que la pila de combustible de óxido sólido tiene una mayor densidad de potencia específica, que describe la capacidad de la pila para liberar una gran cantidad de energía en un instante. La pila de combustible de óxido sólido microtubular puede cumplir el requisito de arranque rápido.

En la actualidad, la pila de combustible de óxido sólido se utiliza principalmente en proyectos domésticos de cogeneración de calor y electricidad, y no puede aplicarse a centrales eléctricas a gran escala. Esto está relacionado con las numerosas deficiencias de la propia pila de combustible de óxido sólido, como: alta temperatura de funcionamiento, largo tiempo de puesta en marcha, elevados requisitos de material, persistentes problemas de sellado, elevados costes de fabricación de los componentes, etc.

Desarrollo de la pila de combustible de óxido sólido

En la actualidad, la tecnología de las pilas de combustible de óxido sólido ha madurado día a día en los países desarrollados, representados por Estados Unidos y Japón, y ha empezado a entrar en la fase inicial de aplicación comercial.

Estados Unidos

Estados Unidos se dedica principalmente a la generación industrial/comercial de energía a gran escala mediante pilas de combustible. La empresa representativa Bloom Energy es la mayor del mundo en pilas de combustible de óxido sólido, con una capacidad total instalada de más de 350 MW.

Ha suministrado cientos de conjuntos de sistemas de generación de energía distribuida con pilas de combustible a empresas como Google, eBay y Wal Mart. Actualmente está reconocida como la empresa con la mayor fuerza técnica y el mayor éxito operativo en el sector de las pilas de combustible de óxido sólido. La eficiencia de generación de energía de sus principales productos puede alcanzar los 65%. Según las estadísticas, el tamaño del mercado mundial de pilas de combustible de óxido sólido y SOEC alcanzará los 2 billones de dólares.

Japón

El desarrollo de pilas de combustible de óxido sólido en Japón está promovido principalmente por NEDO (Organización para el Desarrollo de Nuevas Energías y Tecnologías Industriales de Japón). El objetivo es que, para 2024, la eficiencia de generación de energía de la pila de combustible de óxido sólido supere los 65% (bajo calor) y la vida útil alcance las 130.000 h. El principal proyecto es el desarrollo y la verificación industrial de tecnologías clave del sistema de pila de combustible de óxido sólido. Entre las principales instituciones de I+D figuran Aisin Seiki, Osaka Gas, Kyocera y Toyota Motor.

Europa

La dirección de desarrollo de la pila de combustible de óxido sólido europea se basa principalmente en la electrólisis SOEC, y la electricidad renovable se utiliza para producir hidrógeno mediante SOEC. La empresa representativa es Sunfire, en Alemania, que ha construido un equipo de producción de hidrógeno por electrólisis del agua SOEC con una potencia total de 2,6 MW, que es el mayor equipo de producción de hidrógeno por electrólisis del agua del mundo.

La pila de combustible de óxido sólido en Europa apoya principalmente el proyecto nacional de cogeneración de pilas de combustible (cogeneración de calor y electricidad) basado principalmente en la pila de combustible de óxido sólido, y Europa lleva a cabo principalmente la investigación y el desarrollo de la pila plana de pilas de combustible de óxido sólido y el sistema de generación de energía. En la actualidad, Alemania ha puesto a la venta más de 50.000 conjuntos de Micro-CHP, y concede subvenciones de 7050-28200 euros para la instalación del dispositivo en función del tamaño de la potencia de salida. Es el país con más Micro-CHP de Europa.

Corea

En la actualidad, las pilas de combustible de óxido sólido de Corea del Sur se utilizan principalmente en el ámbito de los servicios públicos. Las principales tecnologías del mercado proceden de dos empresas, Ceres Power del Reino Unido y Bloom Energy de Estados Unidos, y son introducidas y promovidas por Doosan y SK E&C respectivamente.

Corea del Sur se ha convertido en un líder mundial en el uso de pilas de combustible para la generación de energía a gran escala, con despliegues de 370,7MW, 464MW y 605MW en 2019, 2020 y 2021, respectivamente. Según el plan de demanda de suministro eléctrico publicado por el Ministerio de Comercio, Industria y Energía (MOTIE), se espera que el despliegue de pilas de combustible en Corea del Sur se amplíe aún más hasta los 800 MW en 2022.

China

Dado que la tecnología y la industria de las pilas de combustible de óxido sólido están bloqueadas en China, este país sólo puede tomar la vía del desarrollo independiente. Las instituciones de investigación sobre pilas de combustible de China son principalmente universidades e institutos de investigación. En los últimos años, grandes empresas como una de las 10 mayores fabricantes de pilas de combustible en China WEICHAI, CGN y Jinneng se han unido al conjunto de investigación y desarrollo de pilas de combustible de óxido sólido para acelerar el ritmo de comercialización. A finales de 2020, había 8.187 solicitudes de patentes relacionadas con las pilas de combustible de óxido sólido, y China ocupaba el primer puesto con 5.100.

La cadena industrial de las pilas de combustible de óxido sólido incluye principalmente pilas individuales y materiales previos, pilas y equipos auxiliares (BOP), integración de sistemas y piezas de aplicación. En el ámbito de las pilas, varias unidades chinas dominan la tecnología de producción en masa de pilas individuales de gran superficie, y la durabilidad puede alcanzar decenas de miles de horas, destacando especialmente Chaozhou Three-Circle. En cuanto a las pilas de baterías, las empresas chinas siguen siendo relativamente extensas en cuanto al diseño de la estructura de la batería y el ensamblaje de una sola célula.

El sellado de la batería y la fuerza de unión del conector siguen presentando problemas como la inestabilidad en el funcionamiento a largo plazo de la batería, lo que afecta en gran medida a la vida útil del sistema de pilas de combustible de óxido sólido. Por ejemplo, el nivel actual en China es de miles de horas a 10.000 horas, pero la expectativa de comercialización de los sistemas de pilas de combustible de óxido sólido es de más de 10 años.

En el sistema auxiliar de la pila (BOP), que incluye el prerreformador, el calentador, el compresor, el regulador de tensión, el inversor, el intercambiador de calor, etc., En la actualidad, no hay ninguna empresa de producción profesional en China, las principales razones son: el mercado de las pilas de combustible de óxido sólido aún no ha comenzado, el entusiasmo de poner un pie en las empresas no es alto, y no hay muchas empresas que participen en el desarrollo y la industrialización de las pilas de combustible de óxido sólido;

Faltan las correspondientes políticas de apoyo, y la subvención es inferior a la de países como Europa y Estados Unidos. Además de los problemas de la cadena industrial de piezas de apoyo (BOP), también hay problemas de optimización de la eficiencia de los sistemas, de construcción de sistemas de alta potencia y de duración de las baterías.