Celda de combustible alcalina
La versión actual de la página aún no ha sido revisada por colaboradores experimentados y puede diferir significativamente de la versión revisada el 30 de marzo de 2016; las comprobaciones requieren 16 ediciones .Celda de combustible alcalina - ( del inglés alkaline fuel cell, AFC ), la tecnología de celda de combustible más estudiada , estos elementos volaron con un hombre a la luna .
La NASA ha estado utilizando celdas de combustible alcalinas desde mediados de los años 60, en la serie Apollo y Space Shuttle . Las pilas de combustible alcalinas consumen hidrógeno y oxígeno puro y producen agua, calor y electricidad. Son las más eficientes de las pilas de combustible, con una eficiencia de hasta el 70%.
Química
Una celda de combustible genera energía a través de una reacción redox entre el hidrógeno y el oxígeno. En el ánodo, el hidrógeno se oxida según la reacción:
con la formación de agua y la liberación de electrones. En este caso, los electrones fluyen a través del circuito externo y regresan al cátodo, el oxígeno se consume en la reacción:
y produce iones hidróxido. Un ciclo de reacción completo consume una molécula de oxígeno y dos moléculas de hidrógeno, produciendo dos moléculas de agua. La electricidad y la energía térmica se producen como subproductos de esta reacción.
Electrolito
Los dos electrodos están separados por una matriz porosa saturada con una solución alcalina acuosa, generalmente hidróxido de potasio (KOH). Las soluciones alcalinas acuosas absorben dióxido de carbono (CO 2 ), por lo que la pila de combustible puede "envenenarse" al convertir el KOH en carbonato de potasio (K 2 CO 3 ). Debido a esto, las celdas de combustible alcalinas generalmente funcionan con oxígeno puro, o al menos con aire libre de dióxido de carbono, y deben incorporar un diseño de "depurador" para eliminar la mayor cantidad posible de dióxido de carbono. Dado que los requisitos para producir y almacenar oxígeno hacen que el oxígeno puro sea costoso, hay varias empresas que promueven activamente la tecnología. Sin embargo, existe cierto debate en la comunidad científica sobre si el envenenamiento es permanente o reversible. Los principales mecanismos de intoxicación son el bloqueo de los poros del cátodo con K 2 CO 3 , que no es reversible, y la disminución de la conductividad iónica del electrolito, que puede ser reversible, devolviendo el KOH a su concentración original. Un método alternativo implica simplemente reemplazar el KOH, lo que restablece la celda de combustible a su estado original.
Cuando el dióxido de carbono reacciona con un electrolito, se forman carbonatos. Los carbonatos pueden depositarse en los poros de los electrodos, lo que eventualmente los bloquea. Se encontró que operar el AFC a temperaturas más altas no mostró una degradación del rendimiento, mientras que a temperatura ambiente, se observó una degradación significativa del rendimiento. Se cree que el envenenamiento por carbonato a temperatura ambiente es el resultado de la baja solubilidad del K 2 CO 3 a temperatura ambiente, lo que conduce a la precipitación de K 2 CO 3 que bloquea los poros del electrodo. Además, estos precipitantes reducen progresivamente la hidrofobicidad de la capa de respaldo del electrodo, lo que provoca la degradación estructural y la obstrucción del electrodo.
Por otro lado, los iones de hidroxilo que transportan carga en el electrolito pueden reaccionar con el dióxido de carbono de los productos de oxidación de los combustibles fósiles (es decir, metanol, ácido fórmico) o el aire para formar compuestos de carbonato.
La formación de carbonatos agota los iones de hidróxido del electrolito, reduce la conductividad del electrolito y, por tanto, el rendimiento de las pilas de combustible. Los cambios en el volumen de electrolito, la presión del vapor de agua en la celda y otros factores también pueden reducir la productividad.
Diseños básicos
Debido a este efecto de envenenamiento, se utilizan dos variantes principales de AFC : con electrolito estático y fluido. Las celdas estáticas o inmovilizadas, del tipo electrolito, instaladas en la nave espacial Apolo y el transbordador espacial, suelen utilizar un separador de amianto saturado en hidróxido de potasio. La producción de agua está controlada por la evaporación del ánodo, como se muestra en la imagen de arriba, que produce agua pura que puede liberarse para otros usos. Estas celdas de combustible utilizan catalizadores de platino para lograr la máxima eficiencia volumétrica y de masa.
Los diseños de celdas de flujo utilizan una matriz más abierta que permite que el electrolito fluya entre los electrodos (en paralelo) o entre los electrodos (como una celda de combustible ASK o EloFlux ). En los diseños de cambio de electrolito de flujo paralelo, el agua resultante se retiene en el electrolito y el electrolito viejo se puede reemplazar con electrolito nuevo, de manera similar a cambiar el aceite en un automóvil. Se requiere espacio adicional entre los electrodos para que pase el flujo, lo que conduce a un aumento en la resistencia interna de las celdas, una disminución en la potencia de salida en comparación con las estructuras inmovilizadas. Otro problema tecnológico es el bloqueo constante del cátodo con K 2 CO 3 ; algunos informes publicados han mostrado miles de horas en el aire (?). En estos diseños se han utilizado catalizadores de platino y de metal base, lo que ha dado como resultado una mayor eficiencia y un mayor costo.
El diseño de flujo cruzado de EloFlux tiene la ventaja de los bajos costos de electrolito de reemplazo, pero hasta ahora solo se ha demostrado con oxígeno.
Los electrodos constan de una estructura de doble capa: una capa de electrocatalizador activo y una capa hidrofóbica. La capa activa consiste en una mezcla orgánica que es una base y luego se enrolla a temperatura ambiente para formar una lámina autoportante reticulada. La estructura hidrófoba evita la fuga del electrolito en los canales de reactivos de las corrientes de gas y asegura la difusión de gases al sitio de reacción. Luego, estas dos capas presionan la malla metálica conductora y la sinterización completa el proceso.
Otras variaciones de la celda de combustible alcalina incluyen la celda de combustible de hidruro metálico y la celda de combustible de hidruro de boro directo.
Perspectivas comerciales
Las AFC son las pilas de combustible más baratas de fabricar. Los catalizadores necesarios para los electrodos están fabricados con productos químicos que son económicos en comparación con los necesarios para otros tipos de pilas de combustible.
Las perspectivas comerciales se encuentran principalmente con AFC , con una versión de placa bipolar recientemente desarrollada de esta tecnología que supera significativamente a las versiones anteriores de placa única.
El primer barco de pila de combustible del mundo, HYDRA , utiliza un sistema AFC con una potencia de salida de 5kW.
Otro desarrollo reciente es el advenimiento de las celdas de combustible alcalinas de estado sólido, que utilizan membranas alcalinas de intercambio aniónico en lugar de líquido. Esto resuelve el problema del envenenamiento y permite el desarrollo de celdas de combustible alcalinas capaces de operar en portadores ricos en hidrógeno más seguros, como soluciones líquidas de urea o complejos de metal-amina.
Enlaces externos
- GOST 15596-82 Fuentes de corriente química. Términos y definiciones
- https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0378775311021732