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Pila de combustible de cerámica protónica

Esquema de una pila de combustible conductora de protones

Una celda de combustible de cerámica protónica o PCFC es una celda de combustible basada en un material electrolítico sólido de cerámica como conductor de protones del ánodo al cátodo . [1] Estas celdas de combustible producen electricidad al eliminar 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 PCFC produce electricidad y calor, este último mantiene el dispositivo a una temperatura adecuada. La conductividad protónica eficiente a través de la mayoría de los materiales electrolíticos cerámicos descubiertos requiere temperaturas operativas elevadas de alrededor de 400-700 grados Celsius, [2] [3] sin embargo, las celdas de combustible cerámicas de temperatura intermedia (200-400 grados Celsius) [4] y la alternativa 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, incluidos: amoníaco, [6] y metano. [7] La ​​tecnología comparte las ventajas térmicas y cinéticas [ ¿cuál? ] de celdas de combustible de óxido sólido y carbonato fundido de alta temperatura , al tiempo que exhiben todos los beneficios intrínsecos de la conducción de protones en celdas de combustible de membrana de intercambio de protones (PEMFC) y celdas de combustible de ácido fosfórico (PAFC). Las PCFC agotan el agua en el cátodo y el combustible no utilizado, los productos reactivos del combustible y las impurezas del combustible en el ánodo. Las composiciones químicas comunes de las membranas cerámicas son zirconato de bario (BaZrO 3 ), [1] cerato de bario (BaCeO 3 ), [8] dihidrógeno fosfato 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 celdas de combustible cerámicas protónicas denominadas " celdas de combustible de ácido sólido ".

Algunas PCFC funcionan a temperaturas lo suficientemente altas como para que los combustibles puedan oxidarse electroquímicamente en el ánodo, sin necesidad del paso intermedio de producir hidrógeno a través del 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, con dióxido de carbono como producto de reacción principal; los átomos de hidrógeno se eliminan de manera eficiente para convertirse en iones H + que luego se mueven hacia el electrolito al otro lado ( cátodo ) donde reaccionan con el oxígeno en el aire para producir agua. Otras PCFC funcionan 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 simple para mejorar la estabilidad mecánica es mediante la introducción de aditivos de sinterización , como el ZnO. [10] Al incluir ZnO en la sinterización de zirconato 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 el aumento de la densificación, pero es probable que 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 protónica del BZY, lo que crea la necesidad de una mayor investigación de posibles aditivos de sinterización. [13]

La formación de grietas en los materiales de 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 un desajuste grande 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 , el cátodo y el electrolito para mejorar el ajuste de la expansión térmica. [14] Como conductor de protones, el BCZYZn05 se puede utilizar en toda la celda sin inducir fugas electrónicas parásitas, al mismo tiempo que proporciona una estructura de soporte en toda la celda. Mediante nanoindentación , se descubrió que el uso de BCZYZn05 aumenta la dureza de los componentes de la celda de combustible al mismo tiempo que la reactividad y conductividad electroquímicas necesarias. [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 la tensión de compresión causada por la absorción de agua, la hidratación de BZY debe realizarse a altas temperaturas. [15] [16] Es posible que las grietas no aparezcan 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 entorno reductor inmediatamente después de la sinterización, lo que reduce 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 de camiones. [18] Se han demostrado aplicaciones de energía remota utilizando PCFC en pozos petrolíferos canadienses. [19]

Véase también

Referencias

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  2. ^ Wang, Zheng; Wang, Yuhao; Wang, Jian; Song, Yufei; Robson, Matthew 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 celdas de combustible de conducción de protones de alto rendimiento". Nature Catalysis . 5 (9): 777–787. doi :10.1038/s41929-022-00829-9. ISSN  2520-1158.
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Lectura adicional