La pila de combustible alcalina ( AFC ), también conocida como pila de combustible Bacon en honor a su inventor británico, Francis Thomas Bacon , es una de las tecnologías de pilas de combustible más desarrolladas . Las pilas de combustible alcalinas consumen hidrógeno y oxígeno puro para producir agua potable, calor y electricidad. Se encuentran entre las pilas de combustible más eficientes y tienen un potencial de alcanzar el 70%.
La NASA utiliza pilas de combustible alcalinas desde mediados de los años 1960, en las misiones de la serie Apolo y en el transbordador espacial . [1]
La pila de combustible produce energía a través de una reacción redox entre hidrógeno y oxígeno. En el ánodo , el hidrógeno se oxida según la reacción:
produciendo agua y liberando electrones. Los electrones fluyen por un circuito externo y regresan al cátodo , reduciendo el oxígeno en la reacción:
produciendo iones hidróxido . La reacción neta consume una molécula de oxígeno y dos moléculas de hidrógeno en la producción de dos moléculas de agua. Como subproductos de esta reacción se forman electricidad y calor.
Los dos electrodos están separados por una matriz porosa saturada con una solución alcalina acuosa, como hidróxido de potasio (KOH). Las soluciones acuosas alcalinas no rechazan el dióxido de carbono (CO 2 ), por lo que la pila de combustible puede "envenenarse" mediante la conversión de KOH en carbonato de potasio (K 2 CO 3 ). [2] Debido a esto, las pilas de combustible alcalinas normalmente funcionan con oxígeno puro, o al menos con aire purificado , e incorporarían un "depurador" en el diseño para limpiar la mayor cantidad posible de dióxido de carbono. [1] Debido a que los requisitos de generación y almacenamiento de oxígeno encarecen los AFC de oxígeno puro, hay pocas empresas involucradas en el desarrollo activo de la tecnología. Sin embargo, existe cierto debate en la comunidad investigadora sobre si el envenenamiento es permanente o reversible. Los principales mecanismos de intoxicación son el bloqueo de los poros del cátodo con K 2 CO 3 , que no es reversible, y la reducción de la conductividad iónica del electrolito, que puede ser reversible al devolver el KOH a su concentración original. Un método alternativo implica simplemente reemplazar el KOH, lo que devuelve la celda a su salida original.
Cuando el dióxido de carbono reacciona con el electrolito se forman carbonatos. Los carbonatos podrían precipitarse en los poros de los electrodos y eventualmente bloquearlos. Se ha descubierto que los AFC que funcionan a temperaturas más altas no muestran una reducción en el rendimiento, mientras que a temperatura ambiente aproximadamente, se ha demostrado una caída significativa en el rendimiento. Se cree que el envenenamiento por carbonato a temperatura ambiente es el resultado de la baja solubilidad del K 2 CO 3 a temperatura ambiente, lo que conduce a la precipitación de K 2 CO 3 que bloquea los poros de los electrodos. Además, estos precipitantes disminuyen gradualmente la hidrofobicidad de la capa de soporte del electrodo, lo que provoca degradación estructural e inundación del electrodo.
Por otro lado, los iones de hidróxido portadores de carga en el electrolito pueden reaccionar con el dióxido de carbono procedente de la oxidación de combustibles orgánicos (es decir, metanol, ácido fórmico) o el aire para formar especies de carbonato.
La formación de carbonato agota los iones de hidróxido del electrolito, lo que reduce la conductividad del electrolito y, en consecuencia, el rendimiento de la celda. Además de estos efectos en volumen, el efecto en la gestión del agua debido a un cambio en la presión de vapor y/o un cambio en el volumen del electrolito también puede ser perjudicial.
Debido a este efecto de envenenamiento, existen dos variantes principales de AFC: electrolito estático y electrolito fluido. Las celdas de electrolitos estáticas o inmovilizadas del tipo utilizado en la nave espacial Apolo y el transbordador espacial suelen utilizar un separador de amianto saturado en hidróxido de potasio. La producción de agua se controla mediante la evaporación del ánodo, que produce agua pura que puede recuperarse para otros usos. Estas pilas de combustible suelen utilizar catalizadores de platino para lograr eficiencias volumétricas y específicas máximas.
Los diseños de electrolitos que fluyen utilizan una matriz más abierta que permite que el electrolito fluya entre los electrodos (paralelos a los electrodos) o a través de los electrodos en una dirección transversal (la celda de combustible tipo ASK o EloFlux). En los diseños de electrolitos de flujo paralelo, el agua producida se retiene en el electrolito y el electrolito viejo se puede cambiar por uno nuevo, de manera análoga al cambio de aceite en un automóvil. Se requiere más espacio entre los electrodos para permitir este flujo, y esto se traduce en un aumento en la resistencia de la celda, lo que disminuye la producción de energía en comparación con los diseños de electrolitos inmovilizados. Otro desafío para la tecnología es la gravedad del problema del bloqueo permanente del cátodo por el K 2 CO 3 ; algunos informes publicados han indicado miles de horas de operación en el aire. Estos diseños han utilizado catalizadores de platino y metales no nobles, lo que ha dado como resultado mayores eficiencias y mayores costos.
El diseño de EloFlux, con su flujo transversal de electrolito, tiene la ventaja de una construcción de bajo costo y un electrolito reemplazable, pero hasta ahora solo se ha demostrado utilizando oxígeno.
Los electrodos constan de una estructura de doble capa: una capa de electrocatalizador activo y una capa hidrófoba. La capa activa consiste en una mezcla orgánica que se muele y luego se lamina a temperatura ambiente para formar una lámina autoportante reticulada. La estructura hidrofóbica evita que el electrolito se filtre hacia los canales de flujo del gas reactivo y asegura la difusión de los gases al sitio de reacción. A continuación, las dos capas se presionan sobre una malla metálica conductora y el proceso se completa con la sinterización.
Otras variaciones de la pila de combustible alcalina incluyen la pila de combustible de hidruro metálico y la pila de combustible de borohidruro directo .
Las pilas de combustible alcalinas funcionan entre temperatura ambiente y 90 °C con una eficiencia eléctrica superior a las pilas de combustible con electrolito ácido, como las pilas de combustible de membrana de intercambio de protones (PEMFC), las pilas de combustible de óxido sólido y las pilas de combustible de ácido fosfórico . Debido a la química alcalina, la cinética de la reacción de reducción de oxígeno (ORR) en el cátodo es mucho más fácil que en las celdas ácidas, lo que permite el uso de metales no nobles , como hierro , cobalto , níquel , manganeso o nanomateriales a base de carbono en el cátodo. ánodo (donde se oxida el combustible); y catalizadores más baratos como la plata en el cátodo, [2] debido a los bajos sobrepotenciales asociados con reacciones electroquímicas a pH alto .
Un medio alcalino también acelera la oxidación de combustibles como el metanol, haciéndolos más atractivos. Esto da como resultado una menor contaminación en comparación con las pilas de combustible ácidas.
Las AFC son las pilas de combustible más baratas de fabricar. El catalizador necesario para los electrodos puede ser cualquiera de varios productos químicos diferentes que son económicos en comparación con los necesarios para otros tipos de pilas de combustible.
Las perspectivas comerciales de los AFC residen en gran medida en la versión de placa bipolar recientemente desarrollada de esta tecnología, con un rendimiento considerablemente superior a las versiones anteriores de placa monopolar.
El primer barco con pila de combustible del mundo, el Hydra , utilizó un sistema AFC con una potencia neta de 5 kW.
Otro desarrollo reciente es la celda de combustible alcalina de estado sólido, que utiliza una membrana sólida de intercambio aniónico en lugar de un electrolito líquido. Esto resuelve el problema del envenenamiento y permite el desarrollo de pilas de combustible alcalinas capaces de funcionar con vehículos ricos en hidrógeno más seguros, como soluciones líquidas de urea o complejos de aminas metálicas.
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