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Fabio Coral Fonseca Células a combustível para produção de energia renovável - a experiência do programa brasileiro no IPEN Instituto de Pesquisas Energéticas e Nucleares Seminário Estado da Arte do Armazenamento de Energia e da Inserção de Fontes Renováveis Intermitentes Março 2018

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Fabio Coral Fonseca

Células a combustível para produção de energia renovável - a experiência do

programa brasileiro no IPEN

Instituto de Pesquisas Energéticas e Nucleares

Seminário Estado da Arte do Armazenamento de Energia e da Inserção de Fontes Renováveis Intermitentes Março 2018

Apresentador
Notas de apresentação
Thank you mr chairman....I want to present our results on direct ethanol fuel cells using catalytic layer based on ceria....
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Nuclear and Energy Research Institute – IPEN

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IPEN

Production of radiopharmaceutical

> 2 million procedures all over Brazil per year

300 papers/year – h-factor = 56

10 Research Centers

Materials, Lasers, Chemistry , Fuel Cells …

Graduate school (40 anos) = USP

- Nuclear Technology

- 500 students (~200 PhD + 300 MSc.)

- CAPES 6

IPEN – 60 ANOS - 2016

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Instituto de Pesquisas Energéticas e Nucleares - IPEN

Fuel Cell and Hydrogen Center

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CCCH - Centro de Células a Combustíveis e Hidrogênio Permanent Staff 12 1- Administrative 4- Principal researchers (USP) 4- Associate researchers 3- Technicians

Students and post-docs ~30 15- Undergraduate 4- MSc 7- PhD 6- Post-docs

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Programa Brasileiro e o IPEN – Um breve histórico

2000- ipen– projeto institucional em células a combustível - Células PEM - Prof. Marcelo Linardi 2001- MCT contrata consultoria da Dra. Helena Chum (NREL/USA) para mapear competências para tecnologia do H2 no Brasil 2002 (14 nov.) - Portaria do MCT criando Programa brasileiro de sistemas de células a combustível - Produção de H2 (etanol, eletrólise, fontes renováveis e GN - Células a combustível, preferencialmente para uso estacionário 2004 – Implementação e criação das redes - tecnologia nacional p/ geração limpa e distribuída de energia - Ministro C&T aciona módulo de 50kW no ipen

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Programa Brasileiro e o IPEN – Um breve histórico

2005- IPEN – Roteiro (Road map) Brasileiro para a economia do H2 2006-2010 – Programa Pro-H2 - ~R$ 15 milhões - 4 redes de pesquisa (PEM, SOFC, H2, Sistemas) - >20 instituições e 3 empresas nascentes 2012 – Fim do programa Pro-H2 2013- Reestruturação das atividades de P&D no ipen 2014- Participação grandes projetos Fapesp - Temático - CPE- RCGI (Shell) - Foco no etanol e GN - R$1 milhão / ano

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Center for Innovation on New Energies CINE

Electrochemical conversion of methane on high-valuable chemicals US$ 5 milhões / 5 anos

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Células a combustível – Princípio Eletroquímico

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Células a combustível – Princípio Eletroquímico

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Células a combustível – Princípio Eletroquímico

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Células a combustível – Mercado

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Número de células a combustível entregues no mundo em 2017

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Conceitos modernos

Bloom Energy SOFC

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Fuel Cell Car 2016

Mirai

Conceitos modernos

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Conceitos modernos

Large-scale electricity storage utilizing reversible solid oxide cells combined with underground storage of CO2 and CH4

- round-trip efficiency >70% - estimated storage cost around 3 ¢ kW−1 h−1 Energy Environ. Sci., 2015,8, 2471-2479

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Conceitos modernos

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Conceitos modernos

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Apresentador
Notas de apresentação
these are the elements that motivated nissan to develop this new concept car, using ethanol SOFC. As a battery extender. The concept is very smart because
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Células a Combustível e Hidrogênio

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- R&D - PEMFC and SOFC

- Materials, Electrochemistry - Applied Technology Fuel Cells - Graduate students

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0,5 kWe

2008

5,0 kWe 2011

1,0 kWe 2009

- ~ 15 patentes - ~ 250 publicações - ~ 20 PhDs, 25 MSc

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23 Current Project Goals i) PEMFCs • more efficient anodes for direct methane/ethanol and

for H2-rich gas mixtures; • durability / optimization • membranes for high operating temperatures. • Numerical simulations flow field optimization. ii) SOFCs • anodes resistant to carbon deposition (coking) for

direct natural gas/ethanol SOFCs.

iii) Hydrogen • Ethanol reforming • H2 purification reaction (PROX)

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Direct Ethanol Fuel Cells

“Ethanol, with its high energy density, likely

production from renewable sources and ease of

storage and transportation, is almost the ideal

combustible for fuel cells…”

Ternary Pt/Rh/SnO2 electrocatalysts for oxidizing ethanol to CO2 A. Kowal, et al (2009) -

Apresentador
Notas de apresentação
is highly developed fuel in some countries such as in the us and brasil….particularly in Brasil the sugar cane derived ethanol is a available in every gas station, effcient and economic viable…sustainable business
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- 90% of new cars sold in Brazil are fuel flex - Gasoline has ~27% of ethanol added

- Represents >50% of the fuel used in cars

Brazilian ethanol - Today

SIGNIFICANT REDUCTION IN EMISSIONS

Brazilian Ethanol Production (million gallons)

2005

-200

6

2015

-201

6

Apresentador
Notas de apresentação
One of the mains contributions of ethanol has been to promote significant reductions of emssions in urban areas
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Ethanol in Brazil

- Efficient and available biofuel; - No composition variation;

- No sulphur contamination;

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GOAL

Direct ethanol SOFC

Ceria-based nanostructures

Ni / CeO2:10mol%Gd2O3

Ethanol steam reforming T =550°C

Appl. Catal. B 206 (2017) 626

Apresentador
Notas de apresentação
However, our idea is more ambitious and we want to advance towards direct etahnol, with no need of a reformer in the system
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0 100 200 300 400 500 6000.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

0.5 h 1.0 h 1.5 h 3.0 h 4.0 h 4.5 h

H2

Cell v

olta

ge (V

)

i (mA cm-2)

Ethanol (14%)

T = 8500C

H2 - Standard SOFC

H2 (97%) – H2O (3%)

ZrO2:Y2O3 (YSZ)

Apresentador
Notas de apresentação
If the standard SOFC, with Ni cermet anode is measured under ethanol a rapid degradation in the initial 4 hours of operation under direct ethanol (
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0 100 200 300 400 500 6000.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

0.5 h 1.0 h 1.5 h 3.0 h 4.0 h 4.5 h

H2

Cell v

olta

ge (V

)

i (mA cm-2)

Ethanol (14%)

T = 8500C

Direct Ethanol - Standard SOFC

H2 (97%) – H2O (3%)

ZrO2:Y2O3 (YSZ)

Apresentador
Notas de apresentação
If the standard SOFC, with Ni cermet anode is measured under ethanol a rapid degradation in the initial 4 hours of operation under direct ethanol (
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0 100 200 300 400 500 6000,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

1,2

0.5 h 1.0 h 1.5 h 3.0 h 4.0 h 4.5 h

H2

Cell v

olta

ge (V

)

i (mA cm-2)

Ethanol (14%)

T = 8500C

Direct ethanol - standard SOFC t = 0 h

t = 5 h

H2 (97%) – H2O (3%)

Apresentador
Notas de apresentação
If the standard SOFC, with Ni cermet anode is measured under ethanol a rapid degradation in the initial 4 hours of operation under direct ethanol (
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SOFC Anode Research

Internal Reforming SOFC

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O2-

O2 + 2e- O2-

12e- + 6H2O 6H2 + 6O2-

H2

O2

YSZ

Solid Oxide Fuel Cells – SOFC Internal reforming

LSM

Ni/YSZ

O2-

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C2H5OH + 3H2O → 2CO2 + 6H2

O2-

O2 + 2e- O2-

12e- + 6H2O 6H2 + 6O2-

C2H5OH

O2

YSZ

Internal Reforming with Catalytic Layer

LSM

Ni/YSZ

O2-

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Anode-Supported SOFC with Catalytic Layer

YSZ

50 mm (8 cm2 active area)

LSM

Ni/YSZ 10 µm

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Anode-Supported SOFC with Catalytic Layer

YSZ LSM

Ni/YSZ

Ceria-based catalyst

Au contact grid and wires Ir/CGO catalytic layer (0.2 g )

YSZ

50 mm (8 cm2 active area)

LSM

Ni/YSZ 10 µm

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Direct Ethanol SOFC – H2

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Ethanol Gradual Internal Reforming

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38

Stability Tests- Anode Supported SOFC

Ethanol Internal Reforming

0 100 200 300 400 500 6000.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

i (A

.cm-2 )

t (h)

T = 850°C

0.6 V

10% C2H5OH - 90% N2

8 L.h-1

C2H5OH

Uf = 37%

J. Electrochem. Soc. 161 (2014) F354 Appl. Energy 199 (2017) 180

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39

Post-test Analyses

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Summary

Fuel cells are progressing steadly market under development new concepts (reversible) expanding possibilities

Ethanol is a viable and readily available fuel for fuel

cells;

40

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Fabio C. Fonseca e-mail: [email protected]

THANK YOU !

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THANK YOU !

Patrick Gelin Samuel Georges Marlu César Steil Shayenne D. Nobrega

Vincenzo Esposito

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Fabio C. Fonseca e-mail: [email protected]

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Brazilian Energy mix

~41% of renewables

Brazilian Energy Mix

Apresentador
Notas de apresentação
the Brazilian Energy Matrix is considered one of the cleanest among large economies. The share of renewable energy in our matrix corresponds to around forty five percent. In comparison, the world average remains at about thirteen percent 13%. IN Brasil eight percent of electricity is produced by hydropower and around 45% of fuel for road transportation comes from sugar cane
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Ethanol in Brazil

- Renewable ; - No competition with food crops;

- Much more eficiente than other feedstocks;