Las celdas de combustible de ácido sólido (SAFC) son una clase de celdas de combustible que se caracterizan por el uso de un material ácido sólido como electrolito. De manera similar a las celdas de combustible de membrana de intercambio de protones y las celdas de combustible de óxido sólido , extraen electricidad de la conversión electroquímica de gases que contienen hidrógeno y oxígeno, dejando solo agua como subproducto. Los sistemas SAFC actuales utilizan gas hidrógeno obtenido de una variedad de combustibles diferentes, como propano y diésel de grado industrial. Operan a temperaturas medias, de 200 a 300 °C. [1] [2]
En el contexto de los ácidos sólidos de SAFC basados en grupos oxianiónicos (SO 4 2- , PO 4 3− , SeO 4 2− , AsO 4 3− ) unidos entre sí por enlaces de hidrógeno y equilibrados en carga por especies de cationes grandes (Cs + , Rb + , NH 4 + , K + ). [1] Un ejemplo es CsHSO 4 . [3]
A temperaturas de funcionamiento típicas (entre 140 y 150 grados Celsius para CsHSO 4 ), los ácidos sólidos adoptan estructuras "superprotónicas", caracterizadas por una alta conductividad, órdenes de magnitud por encima de la conductividad de los mismos materiales a temperatura ambiente. [3] Cuando se utiliza en pilas de combustible, esta alta conductividad permite eficiencias de hasta el 50% en varios combustibles. [4]
Las primeras SAFC de prueba de concepto se desarrollaron en 2000 utilizando sulfato de hidrógeno y cesio (CsHSO 4 ). [1] Sin embargo, los electrolitos de sulfato ácido degradan el ánodo de la celda de combustible, lo que conduce a una disminución de la potencia de salida después de un uso moderado. [5]
Los sistemas SAFC que utilizan fosfato de dihidrógeno de cesio (CsH 2 PO 4 ) tienen una vida útil de miles de horas. [6] Cuando experimenta una transición de fase superprotónica, el CsH 2 PO 4 experimenta un aumento de la conductividad de cuatro órdenes de magnitud. [7] [8] [9] En 2005, se demostró que el CsH 2 PO 4 podía experimentar de manera estable la transición de fase superprotónica en una atmósfera húmeda a una temperatura "intermedia" de 250 °C, lo que lo convierte en un electrolito ácido sólido ideal para usar en una celda de combustible. [10] Un entorno húmedo en una celda de combustible es necesario para evitar que ciertos ácidos sólidos (como el CsH 2 PO 4 ) se deshidraten y se disocien en una sal y vapor de agua. [11]
El gas hidrógeno se canaliza hacia el ánodo , donde se divide en protones y electrones. Los protones viajan a través del electrolito ácido sólido para llegar al cátodo , mientras que los electrones viajan al cátodo a través de un circuito externo, generando electricidad. En el cátodo, los protones y electrones se recombinan junto con el oxígeno para producir agua que luego se elimina del sistema.
Ánodo : H 2 → 2H + + 2e −
Cátodo : 1/2O2 + 2H ++ 2e− → H2O
General : H 2 + 1/2O2 → H2O
El funcionamiento de las SAFC a temperaturas intermedias les permite utilizar materiales que de otro modo se dañarían a altas temperaturas, como componentes metálicos estándar y polímeros flexibles. Estas temperaturas también hacen que las SAFC sean tolerantes a las impurezas en su fuente de hidrógeno como combustible, como el monóxido de carbono o los componentes de azufre. Por ejemplo, las SAFC pueden utilizar gas hidrógeno extraído del propano, el gas natural, el diésel y otros hidrocarburos. [12] [13] [14]
En 2005, las SAFC se fabricaron con membranas electrolíticas delgadas de 25 micrómetros de espesor, lo que dio como resultado un aumento de ocho veces en las densidades de potencia máxima en comparación con los modelos anteriores. Las membranas electrolíticas delgadas son necesarias para minimizar la pérdida de voltaje debido a la resistencia interna dentro de la membrana. [15]
El ánodo ideal para una pila de combustible de ácido sólido es una "nanoestructura electrolítica porosa cubierta uniformemente con una película delgada de platino". Dichos electrodos se pueden preparar mediante secado por aspersión, por ejemplo, depositando nanopartículas de CsH 2 PO 4 y creando nanoestructuras porosas interconectadas en 3 dimensiones del material electrolítico de la pila de combustible de ácido sólido CsH 2 PO 4 . [16]
Las SAFC, como muchos otros tipos de celdas de combustible, utilizan catalizadores electroquímicos en los electrodos para aumentar la eficiencia de la celda. El platino es la opción más común para las SAFC debido a su alta actividad de reacción y estabilidad. [17] [18] Inicialmente, las nanopartículas de platino se depositaban directamente sobre la superficie del electrodo, pero estas nanopartículas se aglomeraban durante el funcionamiento de la celda de combustible. [19] [20] Estudios recientes han incorporado soportes basados en carbono ( nanotubos de carbono , grafeno , etc.) para reducir la aglomeración. [21] [22] Aquí, las nanopartículas de platino se depositan directamente sobre el soporte basado en carbono a través de procesos como la deposición de capas atómicas [23] o la deposición química de vapor metalorgánico . [24]
Las SAFC tienen una alta tolerancia al envenenamiento del catalizador debido a la estabilidad de CsH 2 PO 4 a temperaturas de operación. [25] Sin embargo, un estudio reciente ha propuesto que los puntos calientes locales alrededor de las fibras del colector de corriente pueden causar envenenamiento del catalizador. [26] Según Wagner et al. 2021, los puntos calientes locales pueden formar una fase líquida de CsH 2 PO 4 que introduce grupos fosfato al catalizador de platino, degradando el funcionamiento de la celda de combustible. Se descubrió que la introducción de un colector de corriente microporoso mejora la estabilidad morfológica de CsH 2 PO 4 y, en consecuencia, mitiga el envenenamiento del catalizador.
En comparación con sus contrapartes de alta temperatura de funcionamiento, como las celdas de combustible de cerámica protónica de alta temperatura o las celdas de combustible de óxido sólido , las celdas de combustible de ácido sólido se benefician de operar a bajas temperaturas, donde la deformación plástica y los mecanismos de fluencia tienen menos probabilidades de causar daños permanentes a los materiales de la celda. La deformación permanente ocurre más fácilmente a temperaturas elevadas porque los defectos presentes dentro del material tienen suficiente energía para moverse y alterar la estructura original. El funcionamiento a menor temperatura también permite el uso de materiales no refractarios , lo que tiende a reducir el costo de la SAFC.
Sin embargo, los materiales de electrolitos de celdas de combustible de ácido sólido aún son susceptibles a la degradación mecánica en condiciones normales de operación por encima de sus temperaturas de transición de fase superprotónica debido a la superplasticidad habilitada por esta transición. [6] [27] [28] Por ejemplo, en el caso de CsHSO 4 , un estudio ha demostrado que el material puede sufrir tasas de deformación tan altas como para una tensión de compresión aplicada en el rango de varios MPa. Dado que las celdas de combustible a menudo requieren presiones en este rango para sellar adecuadamente el dispositivo y evitar fugas, es probable que la fluencia degrade las celdas creando una ruta de cortocircuito. El mismo estudio mostró que la tasa de deformación, como se modela utilizando la ecuación de fluencia de estado estable estándar , tiene un exponente de tensión de típicamente asociado con un mecanismo de deslizamiento de dislocación , y una energía de activación de 1,02 eV. [27] n es el exponente de tensión, Q es la energía de activación de fluencia y A es una constante que depende del mecanismo de fluencia.
La resistencia a la fluencia se puede obtener mediante el fortalecimiento por precipitación utilizando un electrolito compuesto en el que se introducen partículas cerámicas para evitar el movimiento de dislocación. Por ejemplo, la velocidad de deformación de CsH 2 PO 4 se redujo en un factor de 5 al mezclar partículas de SiO 2 con un tamaño de 2 micrones, lo que dio como resultado una disminución del 20% en la conductividad protónica. [6]
Otros estudios han analizado los compuestos de resina epoxi /CsH2PO4 en los que partículas de tamaño micrométrico de CsH2PO4 están incrustadas en una matriz de polímero reticulado. Una comparación entre la resistencia a la flexión de un compuesto de SiO2 y un compuesto epoxi demostró que, si bien las resistencias en sí son similares, la flexibilidad del compuesto epoxi es superior, una propiedad que es esencial para prevenir la fractura del electrolito durante el funcionamiento. El compuesto epoxi también muestra conductividades comparables pero ligeramente inferiores a las del compuesto de SiO2 cuando funciona a temperaturas inferiores a 200 °C. [28]
Debido a sus requisitos de temperatura moderada y su compatibilidad con varios tipos de combustible, las SAFC se pueden utilizar en lugares remotos donde otros tipos de celdas de combustible serían poco prácticos. En particular, los sistemas SAFC para aplicaciones remotas de petróleo y gas se han implementado para electrificar bocas de pozo y eliminar el uso de componentes neumáticos, que liberan metano y otros gases de efecto invernadero potentes directamente a la atmósfera. [4] Se está desarrollando un sistema SAFC más pequeño y portátil para aplicaciones militares que funcionará con combustibles logísticos estándar, como diésel marino y JP8. [29]
En 2014, se desarrolló un inodoro que transforma químicamente los desechos en agua y fertilizantes utilizando una combinación de energía solar y SAFC. [30]
