Pilas de combustible sin membrana
Las pilas de combustible sin membrana convierten la energía química almacenada en energía eléctrica sin el uso de una membrana conductora, como ocurre con otros tipos de pilas de combustible. En las celdas de combustible de flujo laminar (LFFC) esto se logra aprovechando el fenómeno de los flujos laminares sin mezcla donde la interfaz entre los dos flujos funciona como un conductor protón / iónico. La interfaz permite una alta difusividad y elimina la necesidad de costosas membranas. Los principios operativos de estas celdas significan que solo se pueden construir en tamaños de escala milimétrica. La falta de membrana significa que son más baratos, pero el tamaño limita su uso a aplicaciones portátiles que requieren pequeñas cantidades de energía.
Otro tipo de pila de combustible sin membrana es una pila de combustible de reactivo mixto (MRFC). A diferencia de los LFFC, los MRFC utilizan una mezcla de combustible y electrolito y, por lo tanto, no están sujetos a las mismas limitaciones. Sin membrana, los MRFC dependen de las características de los electrodos para separar las reacciones de oxidación y reducción. Al eliminar la membrana y entregar los reactivos como una mezcla, los MRFC pueden ser potencialmente más simples y menos costosos que los sistemas de celdas de combustible convencionales. [1]
La eficiencia de estas celdas es generalmente mucho mayor que la de las fuentes modernas de producción de electricidad. Por ejemplo, un sistema de planta de energía de combustibles fósiles puede lograr una eficiencia de conversión eléctrica del 40%, mientras que una planta de energía nuclear obsoleta es ligeramente inferior al 32%. Las plantas de fisión nuclear GenIII y GenIV pueden obtener hasta un 90% de eficiencia si se usa conversión directa o hasta un 65% de eficiencia si se usa un generador magnetohidrodinámico como ciclo de acabado. Los sistemas de pilas de combustible son capaces de alcanzar eficiencias en el rango del 55% al 70%. Sin embargo, como ocurre con cualquier proceso, las pilas de combustible también experimentan pérdidas inherentes debido a sus procesos de diseño y fabricación.
Una pila de combustible consta de un electrolito que se coloca entre dos electrodos: el cátodo y el ánodo. En el caso más simple, el gas hidrógeno pasa por el cátodo, donde se descompone en protones y electrones de hidrógeno. Los protones pasan a través del electrolito (a menudo NAFION - fabricado por DuPont) a través del ánodo al oxígeno. Mientras tanto, los electrones libres viajan alrededor de la celda para alimentar una carga determinada y luego se combinan con el oxígeno y el hidrógeno en el ánodo para formar agua. Dos tipos comunes de electrolitos son una membrana de intercambio de protones (PEM) (también conocida como membrana de electrolito polimérico) y un electrolito cerámico o de óxido sólido (que a menudo se usa en las celdas de combustible de óxido sólido).). Aunque el hidrógeno y el oxígeno son reactivos muy comunes, existe una plétora de otros reactivos y se ha demostrado su eficacia.
El hidrógeno para pilas de combustible se puede producir de muchas formas. El método más común en los Estados Unidos (95% de la producción) es a través del reformado de gas , específicamente usando metano, [2] que produce hidrógeno a partir de combustibles fósiles pasándolos a través de un proceso de vapor a alta temperatura. Dado que los combustibles fósiles se componen principalmente de moléculas de carbono e hidrógeno de varios tamaños, se pueden utilizar varios combustibles fósiles. Por ejemplo, se pueden utilizar metanol , etanol y metano en el proceso de reformado. Electrólisis y los ciclos combinados de alta temperatura también se utilizan para proporcionar hidrógeno a partir del agua, por lo que el calor y la electricidad proporcionan suficiente energía para disociar los átomos de hidrógeno y oxígeno.
