Las pilas de combustible de ácido sólido (SAFC) son una clase de pilas de combustible caracterizadas por el uso de un material ácido sólido como electrolito. Al igual que las celdas de combustible de membrana de intercambio de protones y las celdas de combustible de óxido sólido , extraen electricidad de la conversión electroquímica de gases que contienen hidrógeno y oxígeno, dejando solo agua como subproducto. Los sistemas SAFC actuales utilizan gas hidrógeno obtenido de una variedad de combustibles diferentes, como propano y diésel de grado industrial. Operan a temperaturas de rango medio, de 200 a 300 ° C. [1] [2]
Diseño
Los ácidos sólidos son productos químicos intermedios entre las sales y los ácidos, como el CsHSO 4 . [3] Los ácidos sólidos de interés para aplicaciones de pilas de combustible son aquellos cuya química se basa en grupos oxianiónicos (SO 4 2- , PO 4 3− , SeO 4 2− , AsO 4 3− ) unidos entre sí por enlaces de hidrógeno y con carga equilibrada. por especies de cationes grandes (Cs + , Rb + , NH 4+ , K + ). [1]
A bajas temperaturas, los ácidos sólidos tienen una estructura molecular ordenada como la mayoría de las sales. A temperaturas más cálidas (entre 140 y 150 grados Celsius para CsHSO 4 ), algunos ácidos sólidos experimentan una transición de fase para convertirse en estructuras "superprotónicas" altamente desordenadas, lo que aumenta la conductividad en varios órdenes de magnitud. [3] Cuando se utiliza en pilas de combustible, esta alta conductividad permite eficiencias de hasta el 50% en varios combustibles. [4]
Los primeros SAFC de prueba de concepto se desarrollaron en 2000 utilizando hidrogenosulfato de cesio (CsHSO 4 ). [1] Sin embargo, las celdas de combustible que usan sulfatos ácidos como electrolito dan como resultado subproductos que degradan severamente el ánodo de la celda de combustible, lo que conduce a una menor producción de energía después de un uso modesto. [5]
Los sistemas actuales de SAFC utilizan dihidrogenofosfato de cesio (CsH 2 PO 4 ) y han demostrado una vida útil de miles de horas. [6] Cuando se somete a una transición de fase superprotónica, CsH 2 PO 4 experimenta un aumento de la conductividad en cuatro órdenes de magnitud. [7] [8] [9] En 2005, se demostró que CsH 2 PO 4 podía sufrir de manera estable la transición de fase superprotónica en una atmósfera húmeda a una temperatura "intermedia" de 250 ° C, lo que lo convierte en un electrolito ácido sólido ideal para utilizar en una pila de combustible. [10] Es necesario un ambiente húmedo en una celda de combustible para evitar que ciertos ácidos sólidos (como CsH 2 PO 4 ) se deshidraten y se disocian en sal y vapor de agua. [11]
Reacciones de electrodos
El gas hidrógeno se canaliza al ánodo , donde se divide en protones y electrones. Los protones viajan a través del electrolito ácido sólido para llegar al cátodo , mientras que los electrones viajan al cátodo a través de un circuito externo, generando electricidad. En el cátodo, los protones y electrones se recombinan junto con el oxígeno para producir agua que luego se elimina del sistema.
Ánodo : H 2 → 2H + + 2e -
Cátodo : ½O 2 + 2H + + 2e - → H 2 O
Total : H 2 + ½O 2 → H 2 O
El funcionamiento de los SAFC a temperaturas de rango medio les permite utilizar materiales que de otro modo se dañarían a altas temperaturas, como componentes metálicos estándar y polímeros flexibles. Estas temperaturas también hacen que los SAFC sean tolerantes a las impurezas en su fuente de hidrógeno de combustible, como el monóxido de carbono o los componentes de azufre. Por ejemplo, los SAFC pueden utilizar gas hidrógeno extraído de propano, gas natural, diesel y otros hidrocarburos. [12] [13] [14]
Fabricación y producción
Sossina Haile desarrolló las primeras pilas de combustible de ácido sólido en la década de 1990.
En 2005, los SAFC se fabricaron con membranas electrolíticas delgadas de 25 micrómetros de espesor, lo que resultó en un aumento de ocho veces en las densidades de potencia máxima en comparación con los modelos anteriores. Se necesitan membranas de electrolito delgadas para minimizar la pérdida de voltaje debido a la resistencia interna dentro de la membrana. [15]
Según Suryaprakash et al. 2014, el ánodo ideal de una celda de combustible de ácido sólido es una "nanoestructura de electrolito poroso cubierta uniformemente con una película delgada de platino". Este grupo utilizó un método llamado secado por pulverización para fabricar SAFC, depositando nanopartículas de electrolito ácido sólido de CsH 2 PO 4 y creando nanoestructuras porosas tridimensionales interconectadas del material electrolítico de celda de combustible ácido sólido CsH 2 PO 4 . [dieciséis]
Estabilidad mecánica
En comparación con sus contrapartes de alta temperatura de funcionamiento, como las pilas de combustible de óxido sólido, las pilas de combustible de ácido sólido se benefician de funcionar a bajas temperaturas donde la deformación plástica y los mecanismos de fluencia tienen menos probabilidades de causar daños permanentes a los materiales de la celda. La deformación permanente ocurre más fácilmente a temperaturas elevadas porque los defectos presentes dentro del material tienen suficiente energía para mover y romper la estructura original. La operación a temperaturas más bajas también permite el uso de materiales no refractarios que tienden a disminuir el costo del SAFC.
Sin embargo, los materiales de electrolito de pila de combustible de ácido sólido todavía son susceptibles a la degradación mecánica en condiciones de funcionamiento normales por encima de sus temperaturas de transición de fase superprotónica debido a la superplasticidad habilitada por esta transición. [6] [17] [18] Por ejemplo, en el caso de CsHSO 4 , un estudio ha demostrado que el material puede sufrir tasas de deformación tan altas comopara una tensión de compresión aplicada en el rango de varios MPa. Dado que las celdas de combustible a menudo requieren presiones en este rango para sellar adecuadamente el dispositivo y evitar fugas, es probable que la fluencia degrade las celdas creando un cortocircuito. El mismo estudio mostró que la tasa de deformación, modelada utilizando la ecuación de fluencia estándar en estado estacionario, tiene un exponente de estrés de típicamente asociado con un mecanismo de deslizamiento de dislocación y una energía de activación de 1.02 eV. [17] n es el exponente de tensión, Q es la energía de activación de fluencia y A es una constante que depende del mecanismo de fluencia.
La resistencia a la fluencia se puede obtener reforzando el precipitado utilizando un electrolito compuesto mediante el cual se introducen partículas cerámicas para evitar el movimiento de dislocación. Por ejemplo, la velocidad de deformación de CsH 2 PO 4 se redujo en un factor de 5 al mezclar partículas de SiO 2 con un tamaño de 2 micrones, sin embargo, resultó en una disminución del 20% en la conductividad protónica. [6]
Otros estudios han analizado compuestos de resina epoxi / CsH 2 PO 4 donde las partículas de tamaño micrométrico de CsH 2 PO 4 están incrustadas en una matriz de polímero reticulado. Una comparación entre la resistencia a la flexión de un compuesto de SiO 2 versus un compuesto de epoxi demostró que si bien las resistencias en sí son similares, la flexibilidad del compuesto de epoxi es superior, una propiedad que es esencial para prevenir la fractura del electrolito durante la operación. El compuesto epoxi también muestra conductividades comparables pero ligeramente más bajas que el compuesto de SiO 2 cuando funciona a temperaturas por debajo de 200 ° C. [18]
Aplicaciones
Debido a sus requisitos de temperatura moderada y compatibilidad con varios tipos de combustible, los SAFC se pueden utilizar en ubicaciones remotas donde otros tipos de pilas de combustible no serían prácticos. En particular, se han implementado sistemas SAFC para aplicaciones remotas de petróleo y gas para electrificar los cabezales de pozo y eliminar el uso de componentes neumáticos, que liberan metano y otros potentes gases de efecto invernadero directamente a la atmósfera. [4] Se está desarrollando un sistema SAFC portátil más pequeño para aplicaciones militares que funcionará con combustibles logísticos estándar, como diesel marino y JP8. [19]
En 2014, se desarrolló un inodoro que transforma químicamente los desechos en agua y fertilizante utilizando una combinación de energía solar y SAFC. [20]
Referencias
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