La pila de combustible alcalina (AFC), también conocida como pila de combustible Bacon en honor a su inventor británico, Francis Thomas Bacon , es una de las tecnologías de pila de combustible más desarrolladas . Las pilas de combustible alcalinas consumen hidrógeno y oxígeno puro para producir agua potable, calor y electricidad. Se encuentran entre las pilas de combustible más eficientes y tienen el potencial de alcanzar el 70%.
La NASA ha utilizado pilas de combustible alcalinas desde mediados de la década de 1960, en las misiones de la serie Apolo y en el transbordador espacial .
Química
La pila de combustible produce energía a través de una reacción redox entre hidrógeno y oxígeno. En el ánodo , el hidrógeno se oxida según la reacción:
produciendo agua y liberando electrones. Los electrones fluyen a través de un circuito externo y regresan al cátodo , reduciendo el oxígeno en la reacción:
produciendo iones de hidróxido . La reacción neta consume una molécula de oxígeno y dos moléculas de hidrógeno en la producción de dos moléculas de agua. La electricidad y el calor se forman como subproductos de esta reacción.
Electrólito
Los dos electrodos están separados por una matriz porosa saturada con una solución alcalina acuosa, como hidróxido de potasio (KOH). Las soluciones alcalinas acuosas no rechazan el dióxido de carbono (CO 2 ), por lo que la pila de combustible se puede "envenenar" a través de la conversión de KOH en carbonato de potasio (K 2 CO 3 ). Debido a esto, las pilas de combustible alcalinas normalmente funcionan con oxígeno puro, o al menos con aire purificado, e incorporarían un 'depurador' en el diseño para limpiar la mayor cantidad posible de dióxido de carbono. Debido a que los requisitos de generación y almacenamiento de oxígeno hacen que los AFC de oxígeno puro sean costosos, hay pocas empresas involucradas en el desarrollo activo de la tecnología. Sin embargo, existe cierto debate en la comunidad de investigadores 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 reducción de la conductividad iónica del electrolito, que puede ser reversible al devolver el KOH a su concentración original. Un método alternativo implica simplemente reemplazar el KOH que devuelve la celda a su salida original.
Cuando el dióxido de carbono reacciona con el electrolito, se forman carbonatos. Los carbonatos podrían precipitarse en los poros de los electrodos que eventualmente los bloquean. Se ha encontrado que los AFC que operan a temperaturas más altas no muestran una reducción en el rendimiento, mientras que alrededor de la temperatura ambiente, se ha demostrado una caída significativa en el rendimiento. Se cree que el envenenamiento por carbonato a temperatura ambiente es el resultado de la baja solubilidad del K 2 CO 3 alrededor de la temperatura ambiente, lo que conduce a la precipitación de K 2 CO 3 que bloquea los poros del electrodo. Además, estos precipitantes disminuyen gradualmente la hidrofobicidad de la capa de respaldo del electrodo, lo que conduce a la degradación estructural y la inundación del electrodo.
Por otro lado, los iones de hidróxido portadores de carga en el electrolito pueden reaccionar con el dióxido de carbono de la oxidación del combustible orgánico (es decir, metanol, ácido fórmico) o aire para formar especies de carbonato.
La formación de carbonato agota los iones de hidróxido del electrolito, lo que reduce la conductividad del electrolito y, en consecuencia, el rendimiento de la celda. Además de estos efectos de volumen, el efecto sobre la gestión del agua debido a un cambio en la presión de vapor y / o un cambio en el volumen del electrolito también puede ser perjudicial.
Diseños básicos
Debido a este efecto de envenenamiento, existen dos variantes principales de AFC: electrolito estático y electrolito que fluye. Las celdas de electrolitos estáticas o inmovilizadas del tipo utilizado en la nave espacial Apollo y el transbordador espacial suelen utilizar un separador de asbesto saturado en hidróxido de potasio. La producción de agua se controla mediante la evaporación del ánodo, como se muestra arriba, que produce agua pura que puede recuperarse para otros usos. Estas pilas de combustible suelen utilizar catalizadores de platino para lograr la máxima eficiencia volumétrica y específica.
Los diseños de electrolitos que fluyen utilizan una matriz más abierta que permite que el electrolito fluya entre los electrodos (paralelos a los electrodos) o a través de los electrodos en una dirección transversal (la pila de combustible tipo ASK o EloFlux). En los diseños de electrolitos de flujo paralelo, el agua producida se retiene en el electrolito y el electrolito viejo puede cambiarse por nuevo, de manera análoga a un cambio de aceite en un automóvil. Se requiere más espacio entre los electrodos para permitir este flujo, y esto se traduce en un aumento en la resistencia de la celda, disminuyendo la salida de potencia en comparación con los diseños de electrolitos inmovilizados. Otro desafío para la tecnología es la gravedad del problema del bloqueo permanente del cátodo por el K 2 CO 3 ; algunos informes publicados han indicado miles de horas de funcionamiento al aire. Estos diseños han utilizado catalizadores de platino y de metales no nobles, lo que ha dado como resultado una mayor eficiencia y un mayor costo.
El diseño de EloFlux, con su flujo transversal de electrolito, tiene la ventaja de una construcción de bajo costo y un electrolito reemplazable, pero hasta ahora solo se ha demostrado usando oxígeno.
Los electrodos constan de una estructura de doble capa: una capa de electrocatalizador activo y una capa hidrófoba. La capa activa consiste en una mezcla orgánica que se muele y luego se lamina a temperatura ambiente para formar una hoja autoportante reticulada. La estructura hidrófoba evita que el electrolito se filtre hacia los canales de flujo del gas reactivo y asegura la difusión de los gases al sitio de reacción. Luego, las dos capas se presionan sobre una malla metálica conductora y la sinterización completa el proceso.
Otras variaciones de la pila de combustible alcalina incluyen la pila de combustible de hidruro metálico y la pila de combustible de borohidruro directo .
Ventajas sobre las pilas de combustible ácidas
Las pilas de combustible alcalinas funcionan entre temperatura ambiente y 90 ° C con una eficiencia eléctrica superior a las pilas de combustible con electrolito ácido, como las pilas de combustible de membrana de intercambio de protones (PEMFC), las pilas de combustible de óxido sólido y las pilas de combustible de ácido fosfórico . Debido a la química alcalina, la cinética de la reacción de reducción de oxígeno (ORR) en el cátodo es mucho más fácil que en las células ácidas, lo que permite el uso de metales no nobles , como hierro , cobalto o níquel , en el ánodo (donde se oxida el combustible). ); y catalizadores más baratos, como ftalocianinas de plata o hierro en el cátodo, [1] debido a los bajos sobrepotenciales asociados con las reacciones electroquímicas a pH alto .
Un medio alcalino también acelera la oxidación de combustibles como el metanol, haciéndolos más atractivos. Se produce menos contaminación en comparación con las pilas de combustible ácidas.
Perspectivas comerciales
Los AFC son las pilas de combustible más baratas de fabricar. El catalizador requerido para los electrodos puede ser cualquiera de varios productos químicos diferentes que son económicos en comparación con los requeridos para otros tipos de pilas de combustible.
Las perspectivas comerciales de los AFC residen en gran medida en la versión de placa bipolar desarrollada recientemente de esta tecnología, considerablemente superior en rendimiento a las versiones anteriores de monoplaca.
El primer barco de pila de combustible del mundo, el Hydra , utilizó un sistema AFC con una potencia neta de 5 kW.
Otro desarrollo reciente es la pila de combustible alcalina de estado sólido, que utiliza una membrana de intercambio aniónico sólido en lugar de un electrolito líquido. Esto resuelve el problema del envenenamiento y permite el desarrollo de pilas de combustible alcalinas capaces de funcionar con vehículos ricos en hidrógeno más seguros, como soluciones de urea líquida o complejos de amina metálica.
Ver también
Referencias
- ^ Editorial de Reuters (14 de septiembre de 2007). "Pila de combustible sin platino desarrollada en Japón" . Reuters . Consultado el 26 de febrero de 2016 .
enlaces externos
Desarrolladores