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Pila de combustible cerámica protónica

Esquema de una pila de combustible conductora de protones.

Una pila de combustible cerámica protónica o PCFC es una pila de combustible basada en un material electrolítico sólido cerámico como conductor de protones del ánodo al cátodo . [1] Estas pilas de combustible producen electricidad eliminando un electrón de un átomo de hidrógeno, empujando el átomo de hidrógeno cargado a través de la membrana cerámica y devolviendo el electrón al hidrógeno en el otro lado de la membrana cerámica durante una reacción con oxígeno. La reacción de muchos combustibles propuestos en los PCFC produce electricidad y calor, este último mantiene el dispositivo a una temperatura adecuada. La conductividad eficiente de protones a través de la mayoría de los materiales electrolíticos cerámicos descubiertos requiere temperaturas operativas elevadas de alrededor de 400 a 700 grados Celsius, [2] [3] sin embargo, las celdas de combustible cerámicas de temperatura intermedia (200 a 400 grados Celsius) [4] y las alternativas de temperatura más baja son un área activa de investigación. [5] Además del gas hidrógeno, la capacidad de operar a temperaturas intermedias y altas permite el uso de una variedad de combustibles portadores de hidrógeno líquido, que incluyen: amoníaco, [6] y metano. [7] La ​​tecnología comparte las ventajas térmicas y cinéticas [ ¿cuáles? ] de pilas de combustible de carbonato fundido y óxido sólido de alta temperatura , al tiempo que exhibe todos los beneficios intrínsecos de la conducción de protones en pilas de combustible de membrana de intercambio de protones (PEMFC) y pilas de combustible de ácido fosfórico (PAFC). Los PCFC expulsan agua por el cátodo y combustible no utilizado, productos reactivos del combustible e impurezas del combustible por el ánodo. Las composiciones químicas comunes de las membranas cerámicas son circonato de bario (BaZrO 3 ), [1] cerato de bario (BaCeO 3 ), [8] dihidrógenofosfato de cesio (CsH2PO4), [9] y soluciones sólidas complejas de esos materiales con otros óxidos cerámicos. Las cerámicas de óxido ácido a veces se dividen en su propia clase de pilas de combustible cerámicas protónicas denominadas " pilas de combustible ácidas sólidas ".

Algunos PCFC operan a temperaturas lo suficientemente altas como para que los combustibles puedan oxidarse electroquímicamente en el ánodo, sin necesitar el paso intermedio de producir hidrógeno mediante el proceso de reformado [ cita requerida ] . En este entorno, las moléculas gaseosas del combustible de hidrocarburo se absorben en la superficie del ánodo en presencia de vapor de agua, siendo el dióxido de carbono el principal producto de reacción; Los átomos de hidrógeno se eliminan de manera eficiente para convertirse en iones H+ y luego pasan al electrolito al otro lado ( cátodo ), donde reaccionan con el oxígeno del aire para producir agua. Otros PCFC operan a temperaturas más bajas y utilizan catalizadores químicos además de catalizadores electroquímicos para producir hidrógeno para la reacción de reducción. [6]

Estabilidad mecánica

La caracterización de las propiedades mecánicas de los PCFC es un área activa de investigación. Un método sencillo para mejorar la estabilidad mecánica es mediante la introducción de aditivos de sinterización , como ZnO. [10] Al incluir ZnO en la sinterización de circonato de bario dopado con itrio (BZY), la temperatura de sinterización se redujo a 1300 °C y se produjo una densificación teórica superior al 93%. [11] Se desconoce el mecanismo actual para una mayor densificación, pero probablemente se deba a la creación de una fase secundaria de ZnO o a la sustitución parcial de Zr 4+ en sitios Zn o Y. [12] Desafortunadamente, se ha descubierto que los aditivos de sinterización de ZnO reducen significativamente la conductividad de protones de BZY, lo que crea la necesidad de investigar más a fondo los posibles aditivos de sinterización. [13]

La formación de grietas dentro de los materiales PCFC puede reducir drásticamente la durabilidad de la celda y, en casos extremos, provocar una falla total. Por lo tanto, se deben considerar los coeficientes de expansión térmica (TEC) de cada material, ya que una gran discrepancia creará grietas. De hecho, Irvine et al. ha producido un PCFC utilizando BaCe 0,7 Zr 0,1 y 0,15 Zn 0,05 O 3-δ (BCZYZn05) en el ánodo , cátodo y electrolito para mejorar la adaptación de la expansión térmica. [14] Como conductor de protones, BCZYZn05 se puede utilizar en toda la célula sin inducir fugas electrónicas parásitas y al mismo tiempo proporciona una columna vertebral de apoyo en toda la célula. Utilizando nanoindentación , se descubrió que el uso de BCZYZn05 aumenta la dureza de los componentes de la pila de combustible y, al mismo tiempo, necesita reactividad electroquímica y conductividad. [14]

Las condiciones atmosféricas utilizadas durante el procesamiento también pueden provocar la formación de grietas. Si un electrolito BZY se expone a gases húmedos durante la fabricación, se incorporará agua al material. Para mitigar el estrés de compresión causado por la absorción de agua, la hidratación de BZY debe realizarse a altas temperaturas. [15] [16] Es posible que no aparezcan grietas durante el procesamiento y pueden ocurrir durante el almacenamiento. Esto se ha informado para celdas electroquímicas que utilizan BaCe 0,2 Zr 0,7 Y 0,1 O 3-δ como electrolito. [17] Aquí, las grietas se evitaron exponiendo la celda a un ambiente reductor inmediatamente después de la sinterización, reduciendo el desajuste de TEC entre los soportes de los electrodos y el electrolito.

Aplicaciones y desarrollo comercial.

Se han propuesto PCFC que funcionan a temperaturas intermedias de 200 a 400 grados Celsius para el transporte pesado. [18] Se han demostrado aplicaciones de energía remota que utilizan PCFC en pozos petroleros canadienses. [19]

Ver también

Referencias

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  2. ^ Wang, Zheng; Wang, Yuhao; Wang, Jian; Canción, Yufei; Robson, Mateo J.; Seong, Arim; Yang, Meiting; Zhang, Zhiqi; Belotti, Alessio; Liu, Jiapeng; Kim, Guntae; Lim, Jongwoo; Shao, Zongping; Ciucci, Francesco (septiembre de 2022). "Diseño racional de ferritas de perovskita como cátodos de pilas de combustible conductores de protones de alto rendimiento". Catálisis de la naturaleza . 5 (9): 777–787. doi :10.1038/s41929-022-00829-9. ISSN  2520-1158.
  3. ^ Cao, Jiafeng; Ji, Yuexia; Shao, Zongping (2022). "Perovskitas para pilas de combustible cerámicas protónicas: una revisión". Energía y ciencias ambientales . 15 (6): 2200–2232. doi :10.1039/D2EE00132B. ISSN  1754-5692.
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Lectura adicional