Celda de combustible de membrana de intercambio de protones de alta temperatura

Tipo de electroquímico capaz de generar combustible a través del intercambio de protones.

Las celdas de combustible de membrana de intercambio de protones de alta temperatura (HT-PEMFC), también conocidas como celdas de combustible de membrana de electrolito polimérico de alta temperatura, son un tipo de celdas de combustible PEM que pueden funcionar a temperaturas entre 120 y 200 °C. ^[1] Las celdas de combustible HT-PEM se utilizan tanto para aplicaciones estacionarias como portátiles. ^[2] La celda de combustible HT-PEM generalmente se alimenta con gas rico en hidrógeno como gas reformado formado por reformado de metanol , etanol , gas natural o GLP .

Ciencia

Descripción general

La pila de combustible HT-PEM se desarrolló en 1995 para funcionar a temperaturas de celda más altas con el objetivo de reducir la sensibilidad de las pilas de combustible PEM con respecto a las impurezas. ^[3] Por lo tanto, la tecnología de pilas de combustible HT-PEM es uno de los tipos de pilas de combustible más jóvenes y los sistemas de pilas de combustible HT-PEM se producen desde el siglo XXI por varias empresas.

La membrana consiste en un polímero resistente a los ácidos y a la temperatura que tiene la capacidad de absorber ácido que actúa como electrolito. ^[4] Comúnmente, se utiliza polibenzimidazol (PBI) como membrana y ácido fosfórico como electrolito. ^[5] La tecnología de celdas de combustible HT-PEM es similar a la de celdas de combustible de ácido fosfórico (PAFC), pero se diferencia principalmente en la membrana que se utiliza en las celdas de combustible HT-PEM y hace posibles las aplicaciones portátiles para las celdas de combustible HT-PEM.

Membrana PBI dopada con ácido fosfórico para celdas de combustible HT-PEM

Mientras que la pila de combustible PEM común, también llamada pila de combustible de membrana de intercambio de protones de baja temperatura (LT-PEM), normalmente debe funcionar con hidrógeno con una alta pureza de más del 99,9 %, la pila de combustible HT-PEM es menos sensible a las impurezas y, por lo tanto, normalmente funciona con gas reformado con una concentración de hidrógeno de aproximadamente el 50 al 75 %. A diferencia de la pila de combustible LT-PEM, que es sensible a la concentración de monóxido de carbono de varias partes por millón, las pilas de combustible HT-PEM funcionan con concentraciones de monóxido de carbono de hasta aproximadamente el 3 % en volumen. ^[6] Por lo general, las pilas de combustible HT-PEM funcionan a una temperatura de celda de 150 a 180 °C.

La baja sensibilidad a las impurezas permite el uso de combustibles como metanol, etanol, gas natural, GLP, DME, etc., que se reforman en un reformador a gas reformado rico en hidrógeno, con lo que el diseño del sistema de celda de combustible es simple sin la necesidad de pasos de purificación para purificar el gas reformado. ^[7]

Debido a la baja sensibilidad a las impurezas y debido a la conductividad de protones de la membrana, el conjunto de electrodos de membrana que se utiliza para la celda de combustible HT-PEM también se puede utilizar para la separación de hidrógeno para separar el hidrógeno ultrapuro de manera eficiente de los gases que contienen hidrógeno diluido o impuro. ^[8]

La eficiencia del sistema de equilibrio de la planta para los sistemas de celdas de combustible HT-PEM alimentados con metanol suele estar entre el 35 y el 45 % y puede alcanzar hasta el 55 % aproximadamente, dependiendo del diseño del sistema y las condiciones de funcionamiento. En cuanto a la eficiencia de la celda, se puede alcanzar hasta el 63 %.

Dado que el reformado con vapor de metanol es más sencillo y eficiente (temperatura del lecho del catalizador por debajo de los 280 °C) en comparación con el reformado de otros combustibles y debido al bajo coste y la alta pureza del metanol convencional y del metanol renovable (por ejemplo, elaborado a partir de residuos o energía renovable), así como al simple almacenamiento del metanol, la mayoría de las pilas de combustible HT-PEM funcionan con metanol. La pila de combustible HT-PEM alimentada con metanol es el tipo de pila de combustible de metanol reformado (RMFC) más utilizado.

Fortalezas

• No se necesita gestión de agua para la humidificación de la membrana en comparación con la pila de combustible LT-PEM. ^[9]
• El calor residual de la pila (130 a 180 °C) se puede utilizar, lo que hace posible la producción combinada de calor y energía (CHP) para un mayor uso del calor, a diferencia de la pila de combustible LT-PEM, que tiene una temperatura de calor residual demasiado baja, por debajo de los 80 °C. ^[10]
• El enfriamiento simple de la pila es posible debido a la mayor temperatura de la pila en comparación con la celda de combustible LT-PEM (superficie de intercambio de calor, potencia de enfriamiento). ^[11]
• Se pueden utilizar varios combustibles que se pueden reformar en un reformador a gas rico en hidrógeno (por ejemplo, metanol, etanol, propanol, biobutanol , bioglicerol, metano, etano, propano, butano, OME , gasolina, amoníaco ). ^{[12] [13] [14]}
• Es posible diseñar un sistema simple, ya que no se necesita ningún paso de purificación para las celdas de combustible HT-PEM alimentadas con metanol. ^[15]
• A diferencia de las pilas de combustible SOFC, es posible utilizar componentes de plástico y juntas de elastómero en la pila.
• Mayor eficiencia del sistema de celdas de combustible HT-PEM alimentadas con metanol (35 a 45 %) en comparación con las celdas de combustible de metanol directo, DMFC (20 a 30 %). Bajo consumo de combustible de metanol.
• No se necesita una alta pureza de combustible de metanol para el sistema de celda de combustible HT-PEM alimentado con metanol en comparación con el DMFC.
• Es posible una mayor vida útil del sistema de celda de combustible HT-PEM alimentado con metanol que la del sistema DMFC.
• Se pueden utilizar combustibles puros o mezclas de agua y combustible (dependiendo del diseño del sistema de celda de combustible).
• Es posible el uso de combustibles renovables.
• Las temperaturas de almacenamiento en frío por debajo de 0 °C no son un problema para la membrana de la pila de combustible, a diferencia de las pilas de combustible DMFC y LT-PEM.
• El hidrógeno de baja pureza se puede utilizar como combustible. El hidrógeno de baja pureza es más económico que el hidrógeno de alta pureza, que normalmente se utiliza para las pilas de combustible LT-PEM.
• El uso de combustibles como el metanol permite obtener costos de combustible más económicos por kWh en comparación con el hidrógeno (por ejemplo, celdas de combustible LT-PEM) o el diésel (por ejemplo, grupos electrógenos) como combustible.

Debilidades

• Tiempo de arranque más largo en comparación con las pilas de combustible LT-PEM (tiempo de calentamiento de la pila y del reformador). Por lo tanto, a veces es necesaria la hibridación con una batería más grande que para los sistemas de pilas de combustible LT-PEM.
• A diferencia de las pilas de combustible LT-PEM y las DMFC, es necesario un componente del sistema para calentar la pila durante el arranque.
• Se necesitan más celdas en comparación con las celdas de combustible LT-PEM para alcanzar una alta potencia de salida o la misma eficiencia que la celda de combustible LT-PEM de hidrógeno debido a la curva característica inferior de la celda de combustible HT-PEM: mayores costos de pila, volumen de pila y peso de pila en comparación con la celda de combustible LT-PEM. Las tecnologías para alcanzar mejores propiedades de curva característica se encuentran en estado de investigación básica.
• En el conjunto de electrodos de membrana se utiliza un contenido de platino más alto (aproximadamente 8-14 g de Pt por kW) que en las celdas de combustible LT-PEM : se debe considerar el reciclaje del platino. El desarrollo de electrodos sin platino para celdas de combustible HT-PEM se encuentra en un estado de investigación básica. ^[16]
• Cuando se utilizan combustibles orgánicos, se emite dióxido de carbono y quizás trazas de monóxido de carbono (la concentración depende del diseño del sistema, típicamente la concentración de CO es mucho menor que la emitida por los motores de combustión).
• Algunos componentes del sistema deben poder resistir temperaturas más altas que en las celdas de combustible LT-PEM y DMFC, lo que limita la elección de materiales aplicables (por ejemplo, polímeros con resistencia de hasta 120 - 180 °C).

Aplicaciones

Los sistemas de celdas de combustible HT-PEM se utilizan para aplicaciones estacionarias y portátiles. ^[17] Por ejemplo, las celdas de combustible HT-PEM alimentadas con metanol se utilizan como reemplazo de generadores (por ejemplo , aplicaciones fuera de la red , energía de respaldo , suministro de energía de emergencia , unidad de energía auxiliar ) y para la extensión de la autonomía de los vehículos eléctricos (por ejemplo, el automóvil deportivo Gumpert Nathalie ). Normalmente, el sistema de celdas de combustible HT-PEM se utiliza en funcionamiento híbrido con una batería. Los sistemas de celdas de combustible HT-PEM alimentados con gas natural también se utilizan para aplicaciones de calor y energía combinados (CHP) en edificios.

Fabricantes de sistemas de pilas de combustible que contienen tecnología de pilas de combustible HT-PEM:

• Advent Technologies (Estados Unidos)
• Blue World Technologies (Dinamarca) ^{[18] [19]}
• Siqens (Alemania)

Véase también

• Pila de combustible de metanol reformado (RMFC)
• Reformado con vapor
• Reformador de metanol

Referencias

1. Araya, Samuel Simon (2012). Pilas de combustible PEM de alta temperatura: degradación y durabilidad: tesis presentada en la Facultad de Ingeniería y Ciencias de la Universidad de Aalborg como cumplimiento parcial de los requisitos para el grado de Doctor en Filosofía. Aalborg: Universidad de Aalborg, Departamento de Tecnología Energética. ISBN 978-87-92846-14-3.OCLC 857436369  .
2. Mandel, Ethan (2 de marzo de 2021). «La empresa estadounidense de tecnología del hidrógeno y el Departamento de Energía trabajarán en pilas de combustible HT-PEM». Boletín H2 . Archivado desde el original el 8 de julio de 2021.
3. Araya, Samuel Simón; Zhou, Fan; Liso, Vincenzo; Sahlin, Simon Lennart; Vang, Jakob Rabjerg; Tomás, Sobi; Gao, Xin; Jeppesen, cristiano; Kær, Søren Knudsen (2016). "Una revisión exhaustiva de las pilas de combustible PEM de alta temperatura basadas en PBI". Revista Internacional de Energía del Hidrógeno . 41 (46): 21310–21344. doi :10.1016/j.ijhydene.2016.09.024.
4. Schmidt, Thomas J. (2019). "Durabilidad y degradación en celdas de combustible con electrolitos poliméricos de alta temperatura". Transacciones ECS . 1 (8): 19–31. doi :10.1149/1.2214541. ISSN  1938-6737. S2CID  138922384.
5. Yu, S.; Xiao, L.; Benicewicz, BC (2008). "Estudios de durabilidad de PEMFC de alta temperatura basados ​​en PBI". Pilas de combustible . 8 (3–4): 165–174. doi :10.1002/fuce.200800024. ISSN  1615-6854. S2CID  97141602.
6. Eberhardt, SH; Lochner, T.; Büchi, FN; Schmidt, TJ (2015). "Correlación del inventario de electrolitos y la vida útil de HT-PEFC mediante pruebas de estrés acelerado". Revista de la Sociedad Electroquímica . 162 (12): F1367–F1372. doi : 10.1149/2.0591512jes . hdl : 20.500.11850/104873 . ISSN  0013-4651. S2CID  100661952.
7. Boaventura, Marta (2016). "La influencia de las impurezas en el rendimiento de las celdas de combustible con membrana de electrolito polimérico de alta temperatura". Revista Internacional de Energía del Hidrógeno . 41 (43): 19771–19780. doi :10.1016/j.ijhydene.2016.06.201. hdl : 10216/103265 . ISSN  0360-3199.
8. "Membrana conductora de protones". BASF . Consultado el 9 de julio de 2021 .
9. Bandlamudi, Vamsikrishna (2018). "El efecto del diseño del campo de flujo en los mecanismos de degradación y la estabilidad a largo plazo de las celdas de combustible HT-PEM". {{cite journal}}: Requiere citar revista |journal=( ayuda )
10. Najafi, Behzad (2015). "Análisis del rendimiento a largo plazo de un sistema de micro-CHP basado en celdas de combustible HT-PEM: estrategias operativas". Energía Aplicada . 147 : 582–592. doi :10.1016/j.apenergy.2015.03.043. hdl : 11311/928955 . ISSN  0306-2619.
11. Nasri, Mounir; Dickinson, Dave (2014). "Gestión térmica de vehículos impulsados ​​por pilas de combustible mediante HT-PEM y almacenamiento de hidrógeno". Novena Conferencia Internacional sobre Vehículos Ecológicos y Energías Renovables (EVER) de 2014. Montecarlo: IEEE. págs. 1–6. doi :10.1109/EVER.2014.6844107. ISBN . 978-1-4799-3787-5. Número de identificación del sujeto  33849240.
12. Ellamla, Harikishan R.; Bujlo, Piotr; Sita, Cordellia; Pasupathi, Sivakumar (2016-11-02). "Análisis comparativo de varios reformadores alimentados con diferentes combustibles e integrados con celdas de combustible PEM de alta temperatura". Chemical Engineering Science . 154 : 90–99. Bibcode :2016ChEnS.154...90E. doi :10.1016/j.ces.2016.06.065. ISSN  0009-2509.
13. Palma, Vincenzo; Ruocco, Concetta; Cortese, Marta; Martino, Marco (2020). "Reformado de bioalcohol: una descripción general de los avances recientes para la mejora de la estabilidad del catalizador". Catalysts . 10 (6): 665. doi : 10.3390/catal10060665 .
14. Cinti, Giovanni; Liso, Vincenzo; Sahlin, Simon Lennart; Araya, Samuel Simon (2020). "Diseño y modelado del sistema de una celda de combustible PEM de alta temperatura operada con amoníaco como combustible". Energies . 13 (18): 4689. doi : 10.3390/en13184689 .
15. Thomas, Sobi (2017). Estrategias operativas para una mayor durabilidad de las celdas de combustible HT-PEM que funcionan con metanol reformado. Aalborg Universitetsforlag. ISBN 978-87-7210-119-4.
16. Haider, Rizwan; Wen, Yichan; Ma, Zi-Feng; Wilkinson, David P.; Zhang, Lei; Yuan, Xianxia; Song, Shuqin; Zhang, Jiujun (2021). "Pilas de combustible de membrana de intercambio de protones de alta temperatura: progreso en materiales avanzados y tecnologías clave". Chemical Society Reviews . 50 (2): 1138–1187. doi :10.1039/D0CS00296H. ISSN  1460-4744. PMID  33245736. S2CID  227191893.
17. Neophytides, Stylianos; Daletou, Maria K.; Athanasopoulos, Nikolaos; Gourdoupi, Nora; Castro, Emory De; Schautz, Max (2017). "Pilas de combustible PEM de alta temperatura con Advent TPS Meas". E3S Web of Conferences . 16 : 10002. doi : 10.1051/e3sconf/20171610002 . ISSN  2267-1242.
18. "Blue World Technologies se asocia con Alfa Laval para desarrollar un sistema de pilas de combustible de metanol para el transporte marítimo". Green Car Congress . 20 de abril de 2021. Archivado desde el original el 8 de julio de 2021.
19. "La empresa de pilas de combustible de metanol Blue World adquiere Danish Power Systems". Green Car Congress. 14 de enero de 2021. Archivado desde el original el 8 de julio de 2021.