Una celda de combustible regenerativa o celda de combustible inversa (RFC) es una celda de combustible que funciona en modo inverso, que consume electricidad y sustancia química B para producir la sustancia química A. Por definición, el proceso de cualquier celda de combustible podría invertirse. [1] Sin embargo, un dispositivo dado generalmente está optimizado para operar en un modo y puede que no esté construido de tal manera que pueda operarse al revés. Las pilas de combustible estándar operadas al revés generalmente no son sistemas muy eficientes a menos que estén especialmente diseñadas para hacerlo, como ocurre con los electrolizadores de alta presión , [2] las pilas de combustible regenerativas, las pilas de electrolizador de óxido sólido y las pilas de combustible regenerativas unitarias . [3]
Descripción del proceso
Una celda de combustible de membrana de intercambio de protones alimentada con hidrógeno , por ejemplo, utiliza gas hidrógeno (H 2 ) y oxígeno (O 2 ) para producir electricidad y agua (H 2 O); una pila de combustible de hidrógeno regenerativo utiliza electricidad y agua para producir hidrógeno y oxígeno. [4] [5] [6]
Cuando la pila de combustible funciona en modo regenerativo, el ánodo para el modo de producción de electricidad (modo de pila de combustible) se convierte en el cátodo en el modo de generación de hidrógeno (modo de pila de combustible inversa) y viceversa. Cuando se aplica un voltaje externo, el agua en el lado del cátodo sufrirá electrólisis para formar iones de hidrógeno y óxido; Los iones de óxido se transportarán a través del electrolito al ánodo donde se puede oxidar para formar oxígeno. En este modo inverso, la polaridad de la celda es opuesta a la del modo de celda de combustible. Las siguientes reacciones describen el proceso químico en el modo de generación de hidrógeno:
En el cátodo: H 2 O + 2e - → H 2 + O 2−
En el ánodo: O 2− → 1 / 2O 2 + 2e -
Total: H 2 O → 1 / 2O 2 + H 2
Pila de combustible regenerativa de óxido sólido (SORFC)
Un ejemplo de RFC es la pila de combustible regenerativa de óxido sólido. La celda de combustible de óxido sólido funciona a altas temperaturas con altas relaciones de conversión de combustible a electricidad y es un buen candidato para la electrólisis a alta temperatura. [7] Se requiere menos electricidad para el proceso de electrólisis en SORFC debido a la alta temperatura.
El electrolito puede ser conductor de O 2 y / o conductor de protones (H + ). Se ha estudiado activamente el estado de la técnica del SORFC basado en circonio estabilizado con itria (YSZ) conductora de O 2− que utiliza Ni-YSZ como electrodo de hidrógeno y LSM (o LSM-YSZ) como electrodo de oxígeno. [7] Dönitz y Erdle informaron sobre el funcionamiento de las celdas de electrolito YSZ con densidades de corriente de 0,3 A cm −2 y una eficiencia de Faraday del 100% a solo 1,07 V. [8] El estudio reciente de investigadores de Suecia muestra que los electrolitos compuestos a base de ceria , donde existen conducciones de iones tanto de protones como de óxido, producen una alta salida de corriente para el funcionamiento de la pila de combustible y una alta salida de hidrógeno para la electrólisis. [9] La circonia dopada con escandia y ceria (10Sc1CeSZ) también se investiga como electrolito potencial en SORFC para la producción de hidrógeno a temperaturas intermedias (500-750 ° C). Se informa que 10Sc1CeSZ muestra un buen comportamiento y produce altas densidades de corriente, con electrodos adecuados. [10]
Se investigan y registran las curvas de densidad de corriente-voltaje (j-V) y los espectros de impedancia. Los espectros de impedancia se obtienen aplicando una corriente alterna de 1–2A RMS (raíz cuadrada media) en el rango de frecuencia de 30 kHz a 10–1 Hz. Los espectros de impedancia muestran que la resistencia es alta a bajas frecuencias (<10 kHz) y cercana a cero a altas frecuencias (> 10 kHz). [11] Dado que la alta frecuencia corresponde a las actividades de los electrolitos, mientras que las bajas frecuencias corresponden al proceso de los electrodos, se puede deducir que solo una pequeña fracción de la resistencia general proviene del electrolito y la mayor parte de la resistencia proviene del ánodo y el cátodo. Por lo tanto, el desarrollo de electrodos de alto rendimiento es esencial para un SORFC de alta eficiencia. La resistencia específica de área (ASR) se puede obtener a partir de la pendiente de la curva jV. Los materiales de electrodos comúnmente utilizados / probados son cermet de níquel / zirconia (Ni / YSZ) y compuesto de titanato / ceria de estroncio sustituido con lantano para cátodo SORFC y manganita de estroncio de lantano (LSM) para ánodo SORFC. Otros materiales del ánodo pueden ser ferrita de lantano estroncio (LSF), ferrita de lantano estroncio cobre (LSCuF) y ferrita de lantano estroncio cobalto (LSCoF). Los estudios muestran que el electrodo de Ni / YSZ era menos activo en el funcionamiento de la pila de combustible inversa que en el funcionamiento de la pila de combustible, y esto se puede atribuir a un proceso de difusión limitada en la dirección de la electrólisis, o su susceptibilidad al envejecimiento en un entorno de alto vapor, principalmente debido al engrosamiento de las partículas de níquel. [12] Por lo tanto, materiales alternativos como el compuesto de titanato / ceria (La0.35Sr0.65TiO3 – Ce0.5La0.5O2 − δ) o (La0.75Sr0.25) 0.95Mn0.5Cr0.5O3 (LSCM) se han propuesto electrólisis cátodos. Tanto LSF como LSM / YSZ se consideran buenos candidatos de ánodo para el modo de electrólisis. [13] Además, una temperatura de funcionamiento más alta y una relación de humedad absoluta (AH) más alta pueden resultar en una ASR más baja. [14]
Ver también
Referencias
- ^ "Kit de aprendizaje de pila de combustible reversible" . Ecosoul.org. Archivado desde el original el 11 de mayo de 2008 . Consultado el 24 de septiembre de 2009 .
- ^ "2001-Electrólisis de alta presión: la tecnología clave para un H.2 eficiente" (PDF) . Consultado el 24 de septiembre de 2009 .[ enlace muerto permanente ]
- ^ "Microsoft Word - E-14264 Layout.doc" (PDF) . Archivado desde el original (PDF) el 29 de junio de 2009 . Consultado el 24 de septiembre de 2009 .
- ^ "Electrolizador y pila de combustible reversible" . Nfcrc.uci.edu. Archivado desde el original el 18 de junio de 2009 . Consultado el 24 de septiembre de 2009 .
- ^ "Sexto Programa Marco, Investigación - Programa STREP GenHyPEM n ° 019802 y Energía Global" . Whec2008.com. 2008-06-19 . Consultado el 24 de septiembre de 2009 .
- ^ "Pila de combustible regenerativa de hidrógeno-oxígeno PEM" (PDF) . Archivado desde el original (PDF) el 2011-03-03 . Consultado el 24 de septiembre de 2009 .
- ^ a b Laguna-Bercero, MA; Campana, R .; Larrea, A .; Kilner, JA; Orera, VM (30 de julio de 2010). "Rendimiento y envejecimiento de celdas de combustible regenerativas de óxido sólido basadas en YSZ microtubulares" (PDF) . Pilas de combustible . 11 : 116-123. doi : 10.1002 / fuce.201000069 . hdl : 10261/53668 .
- ^ Dönitz, W .; Erdle, E. (1985). "Electrólisis de vapor de agua a alta temperatura: estado de desarrollo y perspectivas de aplicación". Revista Internacional de Energía de Hidrógeno . 10 (5): 291–295. doi : 10.1016 / 0360-3199 (85) 90181-8 .
- ^ zhu, Bin; Ingvar Albinsson; Camilla Andersson; Karin Borsand; Monika Nilsson; Bengt-Erik Mellander (20 de febrero de 2006). "Estudios de electrólisis basados en composites a base de ceria". Comunicaciones electroquímicas . 8 (3): 495–498. doi : 10.1016 / j.elecom.2006.01.011 .
- ^ Laguna-Bercero, MA; SJ Skinnera; JA Kilner (1 de julio de 2009). "Rendimiento de celdas de electrólisis de óxido sólido basadas en zirconia estabilizada con escandia" (PDF) . Revista de fuentes de energía . 192 (1): 126-131. Código Bibliográfico : 2009JPS ... 192..126L . doi : 10.1016 / j.jpowsour.2008.12.139 . hdl : 10044/1/13889 .
- ^ Brisse, Annabelle; Josef Schefold; Mohsine Zahida (octubre de 2008). "Electrólisis de agua a alta temperatura en celdas de óxido sólido". Revista Internacional de Energía de Hidrógeno . 33 (20): 5375–5382. doi : 10.1016 / j.ijhydene.2008.07.120 .
- ^ Marina, OA; Pederson, LR; Williams, MC; Coffey, GW; Meinhardt, KD; Nguyen, CD; Thomsen, EC (22 de marzo de 2007). "Rendimiento del electrodo en pilas de combustible de óxido sólido reversible" (PDF) . Revista de la Sociedad Electroquímica . 154 (5): B452. doi : 10.1149 / 1.2710209 .
- ^ Laguna-Bercero, MA; JA Kilner; SJ Skinner (2011). "Desarrollo de electrodos de oxígeno para pilas de combustible de óxido sólido reversibles con electrolitos de zirconia estabilizados con escandia". Iónicos de estado sólido . 192 : 501–504. doi : 10.1016 / j.ssi.2010.01.003 .
- ^ Hauch, A .; SH Jensen; S. Ramousse; M. Mogensen (18 de julio de 2006). "Rendimiento y durabilidad de las células de electrólisis de óxido sólido" . Revista de la Sociedad Electroquímica . 153 (9): A1741. doi : 10.1149 / 1.2216562 .
enlaces externos
- 2005– Sistema de almacenamiento de energía de pila de combustible regenerativa PEM
- Ficha técnica Modelo de coche con pila de combustible reversible (PDF)
- Pila de combustible compacta con capas de electrólisis intercaladas