Vistas: 0 Autor: Editor del sitio Hora de publicación: 2023-10-26 Origen: Sitio
Una pila de combustible es un sistema biológico y electroquímico que se clasifica en función del electrolito utilizado y del proceso de fabricación. Estas pilas de combustible producen diversas formas de energía mediante un proceso electroquímico o se utilizan para generar energía a base de calor o electricidad sin necesidad de procesos como la combustión o la gasificación. Actualmente hay varias tecnologías de pilas de combustible en fase de desarrollo de prototipos o de investigación, y algunas de las más destacadas difieren en los electrolitos utilizados, las reacciones químicas que se producen, los catalizadores implicados, las temperaturas de funcionamiento y el tipo de combustible utilizado como materia prima. A continuación se ofrece una breve introducción a las clasificaciones y características de las pilas de combustible conocidas actualmente. La siguiente figura presenta brevemente los combustibles utilizados en varios tipos de pilas de combustible, así como explicaciones estructurales simples y temperaturas de funcionamiento; La siguiente tabla presenta los electrolitos, temperaturas de funcionamiento, combustibles y ventajas y desventajas requeridas para cada tipo de celda de combustible.
I. Pilas de combustible de membrana de electrolito polimérico (PEMFC - Pilas de combustible de membrana de electrolito polimérico)
La alta densidad de potencia y el peso ligero de las pilas de combustible de membrana de electrolito polimérico (PEMFC) las convierten en una opción más popular que otros tipos de pilas de combustible. También es la ruta tecnológica más común y ampliamente promovida para aplicaciones comerciales. Este nombre se utiliza indistintamente con pilas de combustible de membrana de intercambio de protones, y aquí también se refiere específicamente a pilas de combustible de baja temperatura (LT-PEM). Los electrolitos de polímero sólido y los electrodos de carbono con catalizadores de platino o aleación de platino permiten que estas pilas de combustible utilicen únicamente hidrógeno y oxígeno (aire). Normalmente, los PEMFC utilizan hidrógeno puro (99,99%+) de tanques de almacenamiento o reformadores como combustible. Estas pilas de combustible funcionan a una temperatura más baja, alrededor de 80 °C (176 °F), lo que da como resultado tiempos de arranque más rápidos y menos desgaste de los componentes del sistema, lo que significa una mayor durabilidad. Sin embargo, el uso de catalizadores de metales preciosos como el platino aumenta los costes del sistema. Si bien los PEMFC se utilizan principalmente para fines de transporte, también se pueden utilizar en aplicaciones de generación de energía estacionaria combinadas de calor y energía. Son especialmente adecuados para aplicaciones en vehículos como autobuses, turismos y camiones pesados. Hay muchos actores importantes, como Toyota de Japón, Hyundai de Corea del Sur, Ballard, etc., y las empresas nacionales son demasiado numerosas para mencionarlas.
II. Pilas de combustible de metanol directo (DMFC - Pilas de combustible de metanol directo)
La mayoría de las pilas de combustible funcionan con hidrógeno, que puede suministrarse directamente al sistema o producirse reformando combustibles ricos en hidrógeno como el metanol, el etanol o los hidrocarburos. Sin embargo, el funcionamiento de la DMFC (pila de combustible de metanol directo) se basa íntegramente en metanol al 100%, que normalmente se mezcla con agua antes de inyectarse directamente en el ánodo de la pila de combustible. Los DMFC no sufren las dificultades de almacenamiento de combustible comunes con otros sistemas de pilas de combustible porque el metanol tiene una densidad energética más alta que el hidrógeno (aunque menor que la gasolina o el diesel). Además, el metanol es un líquido, muy parecido a la gasolina, lo que facilita su transporte y distribución a través de la infraestructura existente. Los DMFC se utilizan comúnmente en aplicaciones de pilas de combustible portátiles, como teléfonos móviles y ordenadores portátiles. Actualmente, algunas empresas están realizando promoción comercial, especialmente en escenarios como la industria militar y las estaciones base. El principio estructural se muestra en la figura:
III. Pilas de combustible alcalinas (AFC - Pilas de combustible alcalinas)
El agua electrolizada alcalina (AEC) es bien conocida por todos, pero las pilas de combustible alcalinas (AFC) pueden no serlo, aunque la AFC es una de las primeras tecnologías de pilas de combustible inventadas y se utiliza ampliamente en el programa espacial de EE. UU. para producir electricidad y agua en naves espaciales. Como electrolito se utiliza una solución de hidróxido de potasio y agua, lo que a su vez da la libertad de utilizar grandes cantidades de catalizadores de metales no nobles en el ánodo y el cátodo. Recientemente han surgido nuevos AFC que utilizan membranas poliméricas como electrolitos. Estas pilas de combustible son similares a las pilas de combustible PEM tradicionales, pero utilizan una membrana alcalina en lugar de una membrana ácida. Uno de los principales obstáculos para las pilas de combustible alcalinas (AFC) es su vulnerabilidad al envenenamiento por dióxido de carbono (CO2). Incluso pequeñas cantidades de dióxido de carbono en el aire pueden crear depósitos de carbonato que pueden afectar gravemente la eficiencia y la vida útil de la batería. Si bien los AFC con electrolitos líquidos pueden funcionar en modo de recirculación para regenerar el electrolito y reducir la formación de carbonatos, este modo introduce corriente de derivación y otros problemas como la humectabilidad, la corrosión y el manejo de la presión diferencial. Las pilas de combustible de membrana alcalina (AMFC) resuelven estos problemas y son menos susceptibles al envenenamiento por dióxido de carbono que las AFC que utilizan electrolitos líquidos. Sin embargo, el dióxido de carbono todavía afecta su rendimiento y actualmente están por detrás de las pilas de combustible de membrana de intercambio de protones (PEMFC) tanto en rendimiento como en durabilidad. Actualmente se están estudiando los AMFC para determinar su uso potencial en el rango de varios vatios a varios kilovatios. Sin embargo, en aplicaciones prácticas, es necesario abordar algunos desafíos, como la tolerancia al dióxido de carbono, la conductividad de la membrana y la durabilidad. La promoción comercial es débil y las empresas reconocidas son pocas.
IV. Pilas de combustible de ácido fosfórico (PAFC: pilas de combustible de ácido fosfórico)
Las pilas de combustible de ácido fosfórico (PAFC) utilizan ácido fosfórico líquido como electrolito, que está envuelto en una matriz de carburo de silicio y unido con politetrafluoroetileno (PTFE). El electrodo consta de carbón poroso que contiene un catalizador de platino. Los PAFC a menudo se denominan celdas de combustible modernas de 'primera generación', se consideran uno de los tipos de celdas de combustible más maduros y se han utilizado comercialmente durante algún tiempo. Se utilizan principalmente para la generación de energía estacionaria, pero también hay ejemplos de PAFC que alimentan vehículos grandes, como autobuses urbanos. En comparación con las células de membrana de intercambio de protones (PEM), las PAFC tienen ventajas al tolerar las impurezas de los combustibles fósiles que se convierten en hidrógeno. Las celdas PEM se 'envenenan' fácilmente con monóxido de carbono, que se une al catalizador de platino en el ánodo, reduciendo la eficiencia de la celda de combustible. Por el contrario, los PAFC tienen cierta tolerancia a las impurezas y tienen una eficiencia superior al 85% cuando se combinan con calor y energía. Sin embargo, son menos eficientes cuando generan electricidad sola, con eficiencias que oscilan entre el 37% y el 42%. Este nivel de eficiencia es sólo ligeramente mejor que el de las centrales eléctricas de combustión, que suelen tener una eficiencia de alrededor del 33%. Además, las PAFC son menos potentes y más grandes que otras pilas de combustible del mismo peso y volumen, lo que hace que su producción sea más cara. La fabricación de estas pilas de combustible requiere grandes cantidades de costosos catalizadores de platino, lo que genera costes más elevados. Empresas representativas como la surcoreana Doosan (DOOSAN) . Los PAFC se utilizan principalmente para generación de energía estacionaria y drones.
V. Pilas de combustible de carbonato fundido (MCFC-pilas de combustible de carbonato fundido)
Actualmente está en marcha el desarrollo de pilas de combustible de carbonato fundido (MCFC) con el objetivo de utilizarlas en centrales eléctricas de gas natural y carbón para una variedad de aplicaciones en los sectores eléctrico, industrial y militar. Estas pilas de combustible están diseñadas para funcionar a temperaturas de alrededor de 650 °C (1200 °F) y se consideran pilas de combustible de alta temperatura. El electrolito utilizado en MCFC es una sal de carbonato fundida suspendida en una matriz cerámica porosa de óxido de aluminio y litio. Un beneficio de operar a altas temperaturas es que se pueden usar metales no nobles como catalizadores tanto para el ánodo como para el cátodo, lo que ayuda a reducir costos. Los MCFC pueden reducir significativamente los costos debido a una mayor eficiencia. Cuando se combinan con turbinas, estas pilas de combustible pueden alcanzar eficiencias de hasta el 6,5 % , superando con creces la eficiencia del 37-42% de las pilas de combustible de ácido fosfórico. Además, cuando se captura y utiliza el calor residual, la eficiencia general del combustible puede superar el 85 %. A diferencia de las pilas de combustible alcalinas, de ácido fosfórico y PEM, las MCFC no requieren un reformador externo para convertir combustibles como el gas natural y el biogás en hidrógeno. En cambio, la propia pila de combustible convierte metano y otros hidrocarburos ligeros en hidrógeno mediante reformado interno, reduciendo así los costes. Con la tecnología actual, los MCFC enfrentan una importante deficiencia en cuanto a durabilidad. Las duras condiciones de funcionamiento a altas temperaturas y el uso de electrolitos corrosivos aceleran la corrosión y descomposición de los componentes, lo que en última instancia reduce la vida útil . Los investigadores están investigando activamente el uso de materiales resistentes a la corrosión y desarrollando diseños de pilas de combustible que podrían duplicar la vida útil actual de 40.000 horas (unos cinco años) sin sacrificar el rendimiento. Empresas representativas como Fuel Cell Energy en Estados Unidos.
VI : Baterías de óxido sólido de alta temperatura (SOFC-Solid Oxide Fuel Cells)
Las pilas de combustible de óxido sólido (SOFC) utilizan un compuesto cerámico duro y no poroso como electrolito y son muy eficientes para convertir combustible en electricidad, alrededor del 60%. En aplicaciones combinadas de calor y energía, la eficiencia general del combustible puede exceder el 84% al capturar y utilizar el calor residual del sistema. Estas pilas de combustible funcionan a temperaturas muy altas, hasta 1830 °F.
Esta operación a alta temperatura no requiere catalizadores de metales preciosos, lo que reduce los costos. Además, las SOFC pueden reformar el combustible internamente, lo que permite el uso de una variedad de combustibles y reduce el gasto asociado con la adición de un convertidor al sistema. Las pilas de combustible de óxido sólido (SOFC) tienen claras ventajas sobre otros tipos de pilas de combustible. Por ejemplo, pueden tolerar más azufre que otros tipos y no son sensibles al envenenamiento por monóxido de carbono, lo que significa que pueden funcionar con una variedad de combustibles como gas natural, biogás y gases derivados del carbón. Además, el funcionamiento a alta temperatura elimina la necesidad de catalizadores de metales preciosos, lo que lo hace más económico. Sin embargo, el funcionamiento a alta temperatura plantea desafíos, incluido un arranque lento y requisitos de protección térmica, que los hacen inadecuados para el transporte. Además, la durabilidad es un tema crítico debido a las duras condiciones a altas temperaturas. Por tanto, es fundamental desarrollar materiales de bajo coste que puedan soportar estas condiciones. Un enfoque prometedor es desarrollar SOFC de temperatura más fría, que tienen menos problemas de durabilidad y menores costos operativos. Si bien estas SOFC de baja temperatura aún no han logrado el mismo rendimiento que los sistemas de alta temperatura, los científicos actualmente están desarrollando pilas de materiales que pueden funcionar en este rango de temperatura más bajo. En la actualidad, existen muchas empresas relacionadas en el país y en el extranjero. Los principios estructurales y de funcionamiento específicos se muestran en la figura.
VII . Pilas de combustible reversibles (RFC - Pilas de combustible reversibles)
En sentido estricto, las pilas de combustible reversibles no se refieren a una ruta técnica específica. Actualmente, los más comunes son los alcalinos reversibles, los PEM reversibles y los SOC reversibles (en referencia a la electrólisis reversible del agua y las pilas de combustible). Sus principios de funcionamiento son similares a los de otras pilas de combustible porque generan electricidad y calor a partir de hidrógeno, oxígeno y agua como subproductos. Sin embargo, los sistemas de pilas de combustible reversibles tienen la capacidad adicional de realizar electrólisis y producir combustibles de hidrógeno y oxígeno utilizando electricidad de fuentes renovables como la energía solar y eólica. Esto significa que una pila de combustible reversible no sólo proporciona electricidad cuando es necesaria, sino que también puede almacenar el exceso de energía en forma de hidrógeno cuando las tecnologías de energía renovable producen más energía de la que se necesita actualmente. Este potencial de almacenamiento de energía es fundamental para hacer que la energía renovable intermitente sea más eficiente y confiable.
