Las pilas de combustible de carbonato fundido ( MCFC ) son pilas de combustible de alta temperatura que funcionan a temperaturas de 600 °C y superiores.
Las celdas de combustible de carbonato fundido (MCFC) se desarrollaron para gas natural , biogás (producido como resultado de la digestión anaeróbica o la gasificación de biomasa ) y plantas de energía basadas en carbón para aplicaciones eléctricas , industriales y militares . Las MCFC son celdas de combustible de alta temperatura que utilizan un electrolito compuesto por una mezcla de sales de carbonato fundido suspendidas en una matriz cerámica porosa y químicamente inerte de electrolito sólido de beta-alúmina (BASE). Dado que operan a temperaturas extremadamente altas de 650 °C (aproximadamente 1200 °F) y superiores, se pueden utilizar metales no preciosos como catalizadores en el ánodo y el cátodo , lo que reduce los costos. [1]
La mejora de la eficiencia es otra razón por la que las MCFC ofrecen importantes reducciones de costes en comparación con las pilas de combustible de ácido fosfórico (PAFC). Las pilas de combustible de carbonato fundido pueden alcanzar eficiencias cercanas al 60%, considerablemente superiores a las eficiencias del 37-42% de una planta de pilas de combustible de ácido fosfórico. Cuando se captura y utiliza el calor residual , las eficiencias generales del combustible pueden llegar al 85%. [1]
A diferencia de las celdas de combustible de membrana de electrolito polimérico , de ácido fosfórico y alcalino , las MCFC no requieren un reformador externo para convertir combustibles con mayor densidad energética en hidrógeno . Debido a las altas temperaturas a las que funcionan las MCFC, estos combustibles se convierten en hidrógeno dentro de la propia celda de combustible mediante un proceso llamado reformado interno, que también reduce los costos. [1]
Las pilas de combustible de carbonato fundido no son propensas a envenenarse con monóxido de carbono o dióxido de carbono (incluso pueden utilizar óxidos de carbono como combustible), lo que las hace más atractivas para alimentarse con gases derivados del carbón. Como son más resistentes a las impurezas que otros tipos de pilas de combustible, los científicos creen que incluso podrían ser capaces de reformar internamente el carbón, suponiendo que se las pueda hacer resistentes a impurezas como el azufre y las partículas que resultan de la conversión del carbón, una fuente de combustible fósil más sucia que muchas otras, en hidrógeno. Por otra parte, como las MCFC requieren que se entregue CO2 al cátodo junto con el oxidante, se pueden utilizar para separar electroquímicamente el dióxido de carbono de los gases de combustión de otras plantas de energía de combustibles fósiles para su secuestro.
La principal desventaja de la tecnología actual de las MCFC es su durabilidad. Las altas temperaturas a las que funcionan estas celdas y el electrolito corrosivo que se utiliza aceleran la descomposición y la corrosión de los componentes, lo que reduce la vida útil de las celdas. Los científicos están explorando actualmente materiales resistentes a la corrosión para los componentes, así como diseños de celdas de combustible que aumenten la vida útil de las celdas sin reducir el rendimiento. [1]
Las celdas de combustible de carbonato fundido son un tipo de celda de combustible desarrollado recientemente que apunta a sistemas de distribución/generación de energía pequeños y grandes, ya que su producción de energía está en el rango de 0,3 a 3 MW. [2] La presión de operación está entre 1 y 8 atm, mientras que las temperaturas están entre 600 y 700 °C. [3] Debido a la producción de CO2 durante el reformado del combustible fósil (metano, gas natural), las MCFC no son una tecnología completamente verde, pero son prometedoras debido a su confiabilidad y eficiencia (suficiente calor para la cogeneración con electricidad). Las eficiencias actuales de las MCFC varían entre el 60 y el 70 %. [4]
Reformador interno (ejemplo de metano):
Ánodo (ejemplo de hidrógeno):
Cátodo:
Celúla:
Ecuación de Nernst:
Debido a las altas temperaturas de funcionamiento de las pilas de combustible de celda de combustible de cadena corta, los materiales deben seleccionarse con mucho cuidado para que sobrevivan a las condiciones presentes en el interior de la celda. Las siguientes secciones cubren los diversos materiales presentes en la celda de combustible y los últimos avances en materia de investigación.
El material del ánodo consiste típicamente en una aleación porosa (3-6 μm, 45-70% de porosidad del material) a base de Ni. El Ni se alea con cromo o aluminio en el rango de 2-10%. Estos elementos de aleación permiten la formación de LiCrO 2 /LiAlO 2 en los límites de grano, lo que aumenta la resistencia a la fluencia de los materiales y evita la sinterización del ánodo a las altas temperaturas de funcionamiento de la celda de combustible. [6] Investigaciones recientes han analizado el uso de nano Ni y otras aleaciones de Ni para aumentar el rendimiento y disminuir la temperatura de funcionamiento de la celda de combustible. [7] Una reducción en la temperatura de funcionamiento extendería la vida útil de la celda de combustible (es decir, disminuiría la tasa de corrosión) y permitiría el uso de materiales de componentes más económicos. Al mismo tiempo, una disminución en la temperatura disminuiría la conductividad iónica del electrolito y, por lo tanto, los materiales del ánodo deben compensar esta disminución del rendimiento (por ejemplo, aumentando la densidad de potencia). Otros investigadores han estudiado la posibilidad de mejorar la resistencia a la fluencia mediante el uso de un ánodo de aleación de Ni 3 Al para reducir el transporte de masa de Ni en el ánodo durante el funcionamiento. [8]
En el otro lado de la celda, el material del cátodo está compuesto de metatitanato de litio o de un Ni poroso que se convierte en un óxido de níquel litiado (el litio se intercala dentro de la estructura cristalina de NiO). El tamaño de poro dentro del cátodo está en el rango de 7-15 μm y el 60-70% del material es poroso. [9] El problema principal con el material del cátodo es la disolución de NiO, ya que reacciona con CO2 cuando el cátodo está en contacto con el electrolito de carbonato. Esta disolución conduce a la precipitación del metal Ni en el electrolito y, dado que es eléctricamente conductor, la celda de combustible puede sufrir un cortocircuito. Por lo tanto, los estudios actuales han analizado la adición de MgO al cátodo de NiO para limitar esta disolución. [10] El óxido de magnesio sirve para reducir la solubilidad de Ni2 + en el cátodo y disminuye la precipitación en el electrolito. Como alternativa, el reemplazo del material del cátodo convencional con una aleación LiFeO2-LiCoO2-NiO ha mostrado resultados de rendimiento prometedores y evita casi por completo el problema de la disolución de Ni del cátodo. [10]
Las MCFC utilizan un electrolito líquido (carbonato fundido) que consiste en carbonato de sodio (Na) y potasio (K). Este electrolito está soportado por una matriz de cerámica (LiAlO 2 ) para contener el líquido entre los electrodos. Las altas temperaturas de la celda de combustible son necesarias para producir suficiente conductividad iónica de carbonato a través de este electrolito. [3] Los electrolitos MCFC comunes contienen 62% de Li 2 CO 3 y 38% de K 2 CO 3 . [11] Se utiliza una fracción mayor de carbonato de Li debido a su mayor conductividad iónica, pero está limitada al 62% debido a su menor solubilidad en gas y difusividad iónica del oxígeno. Además, Li 2 CO 3 es un electrolito muy corrosivo y esta proporción de carbonatos proporciona la tasa de corrosión más baja. Debido a estos problemas, estudios recientes han profundizado en la sustitución del carbonato de potasio por un carbonato de sodio. [12] Se ha demostrado que un electrolito de Li/Na tiene un mejor rendimiento (mayor conductividad) y mejora la estabilidad del cátodo en comparación con un electrolito de Li/K (Li/K es más básico ). Además, los científicos también han estudiado la posibilidad de modificar la matriz del electrolito para evitar problemas como cambios de fase (γ-LiAlO 2 a α-LiAlO 2 ) en el material durante el funcionamiento de la celda. El cambio de fase acompaña a una disminución del volumen del electrolito que conduce a una menor conductividad iónica. A través de varios estudios, se ha descubierto que una matriz de α-LiAlO 2 dopada con alúmina mejoraría la estabilidad de la fase al tiempo que mantendría el rendimiento de la celda de combustible. [12]
La empresa alemana MTU Friedrichshafen presentó un MCFC en la Feria de Hannover en 2006. La unidad pesa 2 toneladas y puede producir 240 kW de energía eléctrica a partir de varios combustibles gaseosos, incluido el biogás. Si se alimenta con combustibles que contienen carbono, como el gas natural, el escape contendrá CO2, pero se reducirá hasta en un 50% en comparación con los motores diésel que funcionan con combustible búnker marino. [13] La temperatura de escape es de 400 °C, lo suficientemente caliente como para usarse en muchos procesos industriales. Otra posibilidad es producir más energía eléctrica a través de una turbina de vapor . Dependiendo del tipo de gas de alimentación, la eficiencia eléctrica está entre el 12% y el 19%. Una turbina de vapor puede aumentar la eficiencia hasta en un 24%. La unidad se puede utilizar para cogeneración .
