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 suele estar optimizado para funcionar en un modo y no puede construirse de forma que pueda funcionar al revés. Las pilas de combustible estándar que funcionan al revés no suelen ser sistemas muy eficientes a menos que estén diseñadas específicamente para ello, 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]
Por ejemplo, una celda de combustible de membrana de intercambio de protones alimentada con hidrógeno utiliza gas hidrógeno (H 2 ) y oxígeno (O 2 ) para producir electricidad y agua (H 2 O); una celda de combustible de hidrógeno regenerativa utiliza electricidad y agua para producir hidrógeno y oxígeno. [4] [5] [6]
Cuando la pila de combustible funciona en modo regenerativo, el ánodo para el 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 se someterá a electrólisis para formar oxígeno y protones; los protones se transportarán a través del electrolito sólido hasta el cátodo, donde pueden reducirse para formar hidrógeno. En este modo inverso, la polaridad de la pila 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 −
En general: 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 altas relaciones 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 las pilas de combustible regenerativas de óxido sólido (SORFC) debido a la alta temperatura.
El electrolito puede ser conductor de O 2− y/o conductor de protones (H + ). El estado del arte para SORFC basado en zirconia estabilizada con itria (YSZ) conductora de O 2− que utiliza Ni–YSZ como electrodo de hidrógeno y LSM (o LSM–YSZ) como electrodo de oxígeno se ha estudiado activamente. [7] Dönitz y Erdle informaron sobre el funcionamiento de celdas de electrolito YSZ con densidades de corriente de 0,3 A cm −2 y una eficiencia de Faraday del 100% a solo 1,07 V. [8] El estudio reciente realizado por investigadores de Suecia muestra que los electrolitos compuestos basados en ceria, donde existen conducciones de iones de protones y óxidos, producen una alta salida de corriente para el funcionamiento de la celda de combustible y una alta salida de hidrógeno para el funcionamiento de la electrólisis. [9] La zirconia 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 1–2A RMS (raíz cuadrada media) en el rango de frecuencia de 30 kHz a 10 −1 Hz. Los espectros de impedancia muestran que la resistencia es alta a bajas frecuencias (<10 kHz) y cercana a cero a altas frecuencias (>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 general 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 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 que se utilizan o se prueban con más frecuencia son el cermet de níquel/circonio (Ni/YSZ) y el compuesto de titanato de estroncio sustituido con lantano/ceria para el cátodo de SORFC, y el manganito de estroncio y lantano (LSM) para el ánodo de SORFC. Otros materiales de ánodo pueden ser la ferrita de estroncio y lantano (LSF), la ferrita de cobre de estroncio y lantano y la ferrita de cobalto y estroncio y lantano. Los estudios muestran que el electrodo de Ni/YSZ fue menos activo en el funcionamiento de la celda de combustible inversa que en el funcionamiento de la celda de combustible, y esto se puede atribuir a un proceso limitado por difusión en la dirección de la electrólisis, o a su susceptibilidad al envejecimiento en un entorno de alto 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) como cátodos de electrólisis. Tanto LSF como LSM/YSZ se consideran buenos candidatos de ánodo para el modo de electrólisis. [13] Además, una temperatura de operación más alta y una mayor relación de humedad absoluta pueden dar como resultado una resistencia específica de área más baja. [14]