Las pilas de combustible de carbonato fundido ( MCFC ) son pilas de combustible de alta temperatura que funcionan a temperaturas de 600 ° C y superiores.
Actualmente se están desarrollando celdas de combustible de carbonato fundido (MCFC) para gas natural , biogás (producido como resultado de la digestión anaeróbica o gasificación de biomasa ) y plantas de energía a base de carbón para aplicaciones eléctricas , industriales y militares . Los MCFC son celdas de combustible de alta temperatura que utilizan un electrolito compuesto de una mezcla de sal de carbonato fundido suspendido en una matriz cerámica porosa y químicamente inerte de electrolito sólido de beta-alúmina (BASE). Dado que operan a temperaturas extremadamente altas de 650 ° C (aproximadamente 1200 ° F) y superiores, no son preciosas [ dudosas ] los metalesse pueden utilizar comocatalizadoresen elánodoy elcátodo, reduciendo los costos. [1]
La eficiencia mejorada es otra razón por la que los MCFC ofrecen reducciones de costos significativas en comparación con las celdas de combustible de ácido fosfórico (PAFC). Las celdas de combustible de carbonato fundido pueden alcanzar eficiencias cercanas al 60%, considerablemente más altas que las eficiencias del 37-42% de una planta de celdas de combustible de ácido fosfórico. Cuando se captura y utiliza el calor residual , la eficiencia general del combustible puede llegar al 85%. [1]
A diferencia de las celdas de combustible de membrana de electrolito de polímero , ácido fosfórico y alcalinas , los MCFC no requieren un reformador externo para convertir combustibles más densos en energía en hidrógeno . Debido a las altas temperaturas a las que operan los MCFC, estos combustibles se convierten en hidrógeno dentro de la propia celda de combustible mediante un proceso llamado reformado interno, que también reduce los costos. [1]
Las celdas de combustible de carbonato fundido no son propensas al envenenamiento por monóxido de carbono o dióxido de carbono ; incluso pueden usar óxidos de carbono como combustible, lo que las hace más atractivas para alimentar con gases hechos de carbón. Debido a que son más resistentes a las impurezas que otros tipos de pilas de combustible, los científicos creen que incluso podrían ser capaces de reformar internamente el carbón, asumiendo que pueden hacerse resistentes a las impurezas como el azufre y las partículas que resultan de convertir el carbón, un combustible fósil más sucio. fuente que muchos otros, en hidrógeno. Alternativamente, porque MCFCs requieren CO 2 sea entregado al cátodo junto con el oxidante, que se pueden utilizar para el dióxido de carbono electroquímicamente separada del gas de combustión de otras plantas de energía de combustible fósil para el secuestro.
La principal desventaja de la tecnología MCFC actual es la durabilidad. Las altas temperaturas a las que operan estas celdas y el electrolito corrosivo utilizado aceleran la descomposición y la corrosión de los componentes, lo que reduce la vida útil de las celdas. Actualmente, los científicos están explorando materiales resistentes a la corrosión para componentes, así como diseños de celdas de combustible que aumentan la vida útil de las celdas sin disminuir el rendimiento. [1]
Operación
Fondo
Los FC de carbonato fundido son un tipo de pila de combustible desarrollado recientemente que se dirige a sistemas de generación / distribución de energía pequeños y grandes, ya que su producción de energía está en el rango de 0,3-3 MW. [2] La presión de funcionamiento está entre 1-8 atm, mientras que las temperaturas están entre 600-700 ° C. [3] Debido a la producción de CO 2 durante el reformado del combustible fósil (metano, gas natural), las MCFC no son una tecnología completamente verde, pero son prometedoras debido a su confiabilidad y eficiencia (calor suficiente para la cogeneración con electricidad). . Las eficiencias actuales de MCFC oscilan entre el 60 y el 70%. [4]
Reacciones [5]
Reformador interno:
Ánodo:
Cátodo:
Célula:
Ecuación de Nernst:
Materiales
Debido a las altas temperaturas de funcionamiento de los MCFC, los materiales deben seleccionarse con mucho cuidado para sobrevivir a las condiciones presentes dentro de la celda. Las siguientes secciones cubren los diversos materiales presentes en la pila de combustible y los avances recientes en la investigación.
Ánodo
El material del ánodo consiste típicamente en una aleación a base de Ni porosa (3-6 μm, 45-70% de porosidad del material). El Ni se alea con Cromo o Aluminio en el rango de 2-10%. Estos elementos de aleación permiten la formación de LiCrO 2 / LiAlO 2 en los límites de los granos, lo que aumenta la resistencia a la fluencia de los materiales y evita la sinterización del ánodo a las altas temperaturas de funcionamiento de la pila de combustible. [6] Investigaciones recientes han analizado el uso de nano Ni y otras aleaciones de Ni para aumentar el rendimiento y disminuir la temperatura de funcionamiento de la celda de combustible. [7] Una reducción de la temperatura de funcionamiento prolongaría la vida útil de la pila de combustible (es decir, disminuiría la tasa de corrosión) y permitiría el uso de materiales componentes más baratos. Al mismo tiempo, una disminución de la temperatura disminuiría la conductividad iónica del electrolito y, por lo tanto, los materiales del ánodo deben compensar esta disminución del rendimiento (por ejemplo, aumentando la densidad de potencia). Otros investigadores han buscado mejorar la resistencia a la fluencia mediante el uso de un ánodo de aleación de Ni 3 Al para reducir el transporte de masa de Ni en el ánodo cuando está en funcionamiento. [8]
Cátodo
En el otro lado de la celda, el material del cátodo está compuesto de metatitanato de litio o de un Ni poroso que se convierte en un óxido de níquel litiado (el litio está intercalado dentro de la estructura cristalina de NiO). El tamaño de poro dentro del cátodo está en el rango de 7-15 µm con 60-70% del material poroso. [9] El problema principal con el material del cátodo es la disolución del NiO, ya que reacciona con el CO 2 cuando el cátodo está en contacto con el electrolito de carbonato. Esta disolución conduce a la precipitación del metal Ni en el electrolito y, dado que es eléctricamente conductor, la pila de combustible puede sufrir un cortocircuito. Por lo tanto, los estudios actuales han examinado la adición de MgO al cátodo de NiO para limitar esta disolución. [10] El óxido de magnesio sirve para reducir la solubilidad del Ni 2+ en el cátodo y disminuye la precipitación en el electrolito. Alternativamente, la sustitución del material del cátodo convencional por una aleación de LiFeO2-LiCoO2-NiO ha mostrado resultados de rendimiento prometedores y evita casi por completo el problema de la disolución de Ni del cátodo. [10]
Electrólito
Los MCFC utilizan un electrolito líquido (carbonato fundido) que consta de carbonato de sodio (Na) y potasio (K). Este electrolito está sostenido por una matriz cerámica (LiAlO 2 ) para contener el líquido entre los electrodos. Se requieren las altas temperaturas de la pila de combustible para producir suficiente conductividad iónica de carbonato a través de este electrolito. [3] Los electrolitos comunes de MCFC contienen 62% de Li 2 CO 3 y 38% de K 2 CO 3 . [11] Se utiliza una mayor fracción de carbonato de litio debido a su mayor conductividad iónica, pero está limitada al 62% debido a su menor solubilidad en gas y difusividad iónica del oxígeno. Además, el Li 2 CO 3 es un electrolito muy corrosivo y esta proporción de carbonatos proporciona la tasa de corrosión más baja. Debido a estos problemas, estudios recientes han profundizado en la sustitución del carbonato de potasio por un carbonato de sodio. [12] Un electrolito de Li / Na ha demostrado tener un mejor rendimiento (mayor conductividad) y mejora la estabilidad del cátodo en comparación con un electrolito de Li / K (Li / K es más básico ). Además, los científicos también han estudiado la posibilidad de modificar la matriz del electrolito para evitar problemas como cambios de fase (γ-LiAlO 2 a α-LiAlO 2 ) en el material durante el funcionamiento de la celda. El cambio de fase acompaña a una disminución de volumen en el electrolito que conduce a una conductividad iónica más baja. A través de varios estudios, se ha encontrado que una matriz de α-LiAlO 2 dopada con alúmina mejoraría la estabilidad de fase manteniendo el rendimiento de la pila de combustible. [12]
Pila de combustible MTU
La empresa alemana MTU Friedrichshafen presentó un MCFC en la Feria de Hannover en 2006. La unidad pesa 2 toneladas y puede producir 240 kW de energía eléctrica a partir de varios combustibles gaseosos, incluido el biogás. Si se alimenta con combustibles que contienen carbono, como el gas natural, el escape contendrá CO 2 pero se reducirá hasta en un 50% en comparación con los motores diésel que funcionan con combustible búnker marino. [13] La temperatura de escape es de 400 ° C, lo suficientemente caliente para ser utilizada en muchos procesos industriales. Otra posibilidad es generar más energía eléctrica a través de una turbina de vapor . Dependiendo del tipo de gas de alimentación, la eficiencia eléctrica está entre el 12% y el 19%. Una turbina de vapor puede aumentar la eficiencia hasta en un 24%. La unidad se puede utilizar para cogeneración .
Ver también
- Glosario de términos de pilas de combustible
- Tecnologías de hidrógeno
Referencias
- ^ a b c d "Tipos de pilas de combustible" . Oficina de Eficiencia Energética y Energías Renovables , Departamento de Energía de los Estados Unidos . Consultado el 18 de marzo de 2016 .
- ^ "Tipos de pilas de combustible - Energía de pila de combustible" . www.fuelcellenergy.com . Archivado desde el original el 25 de agosto de 2013 . Consultado el 2 de noviembre de 2015 .
- ^ a b "Tutorial de NFCRC: pila de combustible de carbonato fundido (MCFC)" . www.nfcrc.uci.edu . Archivado desde el original el 8 de octubre de 2018 . Consultado el 2 de noviembre de 2015 .
- ^ "Tipos de pilas de combustible | Departamento de Energía" . energy.gov . Consultado el 2 de noviembre de 2015 .
- ^ "Pilas de combustible de alta temperatura" (PDF) . Universidad de Babilonia . Consultado el 1 de noviembre de 2015 .
- ^ Boden, Andreas (2007). "El ánodo y el electrolito en el MCFC" (PDF) . Portal de la diva . Consultado el 1 de noviembre de 2015 .
- ^ Nguyen, Hoang Viet Phuc; Othman, Mohd Roslee; Seo, Dongho; Yoon, Sung Pil; Ham, Hyung Chul; Nam, Suk Woo; Han, Jonghee; Kim, Jinsoo (4 de agosto de 2014). "Ánodo con capas de Nano Ni para un mejor rendimiento de MCFC a una temperatura de funcionamiento reducida". Revista Internacional de Energía de Hidrógeno . 39 (23): 12285–12290. doi : 10.1016 / j.ijhydene.2014.03.253 .
- ^ Kim, Yun-Sung; Lim, Jun-Heok; Chun, Hai-Soo (1 de enero de 2006). "Mecanismo de fluencia de ánodos de Ni MCFC porosos reforzados con Ni3Al". Revista AIChE . 52 (1): 359–365. doi : 10.1002 / aic.10630 . ISSN 1547-5905 .
- ^ Wijayasinghe, Athula (2004). "Desarrollo y caracterización de materiales catódicos para la pila de combustible de carbonato fundido" (PDF) . Consultado el 2 de noviembre de 2015 .
- ^ a b Antolini, Ermete (diciembre de 2011). "La estabilidad de los electrodos de celdas de combustible de carbonato fundido: una revisión de las mejoras recientes". Energía aplicada . 88 (12): 4274–4293. doi : 10.1016 / j.apenergy.2011.07.009 .
- ^ Fang, Baizeng; Liu, Xinyu; Wang, Xindong; Duan, Shuzhen (15 de enero de 1998). "El mecanismo de modificación de la superficie de un ánodo MCFC". Revista de Química Electroanalítica . 441 (1–2): 65–68. doi : 10.1016 / S0022-0728 (97) 00202-7 .
- ^ a b Kulkarni, A .; Giddey, S. (8 de junio de 2012). "Problemas de materiales y desarrollos recientes en pilas de combustible de carbonato fundido". Revista de electroquímica de estado sólido . 16 (10): 3123–3146. doi : 10.1007 / s10008-012-1771-y . ISSN 1432-8488 .
- ^ Emisión MCFC
Fuentes
- https://web.archive.org/web/20060927032111/http://www.eere.energy.gov/hydrogenandfuelcells/fuelcells/fc_types.html#molten
enlaces externos
- LLNL: Conversión de las pilas de combustible de carbono / aire de los carbonos derivados del carbón
- DoD
- Pila de combustible MTU 240kW presentada en la Feria de Hannover 2006
- Logan Energy Limited integra, instala y opera todas las tecnologías de celdas de combustible
- [1] Reto de generación distribuida de celdas de combustible de carbonato fundido
- [2] presentación en la Cuarta Conferencia Anual sobre Captura y Secuestro de Carbono