Una pila de combustible regenerativa o pila de combustible inversa (RFC) es una pila de combustible que funciona en modo inverso, que consume electricidad y la sustancia química B para producir la sustancia química A. Por definición, el proceso de cualquier pila de combustible podría invertirse. [1] Sin embargo, un dispositivo determinado generalmente está optimizado para funcionar en un modo y es posible que no esté construido de tal manera que pueda operarse al revés. Las pilas de combustible estándar que funcionan al revés generalmente no constituyen sistemas muy eficientes a menos que estén diseñadas específicamente para hacerlo, como ocurre con los electrolizadores de alta presión , [2] las pilas de combustible regenerativas, las pilas de electrolizadores de óxido sólido y las pilas de combustible regenerativas unificadas . [3]
Una pila 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 del 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 inverso), y viceversa. Cuando se aplica un voltaje externo, el agua en el lado del ánodo sufrirá electrólisis para formar oxígeno y protones; Los protones serán transportados a través del electrolito sólido hasta el cátodo, donde podrán reducirse para formar hidrógeno. En este modo inverso, la polaridad de la celda es opuesta a la del modo de pila 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
Un ejemplo de RFC es la pila de combustible regenerativa de óxido sólido. La pila de combustible de óxido sólido funciona a altas temperaturas con elevados índices de conversión de combustible a electricidad y es una buena candidata para la electrólisis a alta temperatura. [7] Se requiere menos electricidad para el proceso de electrólisis en celdas de combustible regenerativas de óxido sólido (SORFC) debido a la alta temperatura.
El electrolito puede ser conductor de O2− y /o conductor de protones (H + ). Se ha estudiado activamente el estado del arte del SORFC basado en circonio estabilizado con itria (YSZ) conductor 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 celdas de electrolitos YSZ con densidades de corriente de 0,3 A cm −2 y 100% de eficiencia de Faraday a solo 1,07 V. [8] El estudio reciente realizado por investigadores de Suecia muestra que los electrolitos compuestos a base de ceria , donde existen conducciones de protones e iones de óxido, producen una alta salida de corriente para el funcionamiento de la pila de combustible y una alta producción de hidrógeno para el funcionamiento de la electrólisis. [9] La circona 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 ( jV ) y los espectros de impedancia. Los espectros de impedancia se realizan aplicando una corriente alterna de 1 a 2 A RMS (media cuadrática) en el rango de frecuencia de 30 kHz a 10 −1 Hz. Los espectros de impedancia muestran que la resistencia es alta en frecuencias bajas (<10 kHz) y cercana a cero en frecuencias altas (>10 kHz). [11] Dado que la alta frecuencia corresponde a las actividades del electrolito, mientras que las bajas frecuencias corresponden al proceso de los electrodos, se puede deducir que solo una pequeña fracción de la resistencia total 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 del área 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 de estroncio/ceria sustituido con lantano para el cátodo SORFC, y manganita de lantano y estroncio (LSM) para el ánodo SORFC. Otros materiales del ánodo pueden ser ferrita de lantano y estroncio (LSF), ferrita de lantano y estroncio y ferrita de lantano y estroncio. Los estudios muestran que el electrodo Ni/YSZ era menos activo en el funcionamiento inverso de la pila de combustible que en el funcionamiento de la pila de combustible, y esto puede atribuirse a un proceso de difusión limitada en la dirección de la electrólisis, o a su susceptibilidad al envejecimiento en un entorno con alto contenido de vapor, principalmente debido al engrosamiento de las partículas de níquel. [12] Por lo tanto, se han propuesto materiales alternativos como el compuesto de titanato/ceria (La0.35Sr0.65TiO3–Ce0.5La0.5O2−δ) o (La0.75Sr0.25)0.95Mn0.5Cr0.5O3 (LSCM). cátodos. Tanto LSF como LSM/YSZ se consideran buenos candidatos a ánodo para el modo de electrólisis. [13] Además, una temperatura de funcionamiento más alta y una relación de humedad absoluta más alta pueden dar como resultado una resistencia específica del área más baja. [14]