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, con un potencial de alcanzar el 70%.
La NASA ha utilizado pilas de combustible alcalinas desde mediados de la década de 1960, en las misiones de la serie Apolo y en el transbordador espacial . [1]
La pila de combustible produce energía mediante 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 a través de un circuito externo y regresan al cátodo , reduciendo el oxígeno en la reacción:
produciendo iones de hidróxido . La reacción neta consume una molécula de oxígeno y dos moléculas de hidrógeno en la producción de dos moléculas de agua. La electricidad y el calor se forman como subproductos de esta reacción.
Los dos electrodos están separados por una matriz porosa saturada con una solución alcalina acuosa, como el hidróxido de potasio (KOH). Las soluciones alcalinas acuosas no rechazan el dióxido de carbono (CO2 ) , por lo que la celda de combustible puede "envenenarse" a través de la conversión de KOH en carbonato de potasio ( K2CO3 ) . [ 2] Debido a esto, las celdas de combustible alcalinas generalmente funcionan con oxígeno puro, o al menos 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 hacen que las celdas de combustible alcalinas de oxígeno puro sean caras, hay pocas empresas dedicadas al desarrollo activo de la tecnología. Sin embargo, existe cierto debate en la comunidad de investigación sobre si el envenenamiento es permanente o reversible. Los principales mecanismos de envenenamiento son el bloqueo de los poros en el cátodo con K2CO3 , 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 consiste simplemente en reemplazar el KOH, lo que hace que la celda vuelva 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, finalmente, bloquearlos. Se ha descubierto que las celdas de celdas de celdas que funcionan a temperaturas más altas no muestran una reducción en el rendimiento, mientras que, a temperatura ambiente, 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 K2CO3 a temperatura ambiente, lo que conduce a la precipitación del K2CO3 que bloquea los poros del electrodo. Además, estos precipitantes disminuyen gradualmente la hidrofobicidad de la capa de soporte del electrodo , lo que conduce a la degradación estructural y la inundación del electrodo .
Por otro lado, los iones de hidróxido portadores de carga en el electrolito pueden reaccionar con el dióxido de carbono de la oxidación de combustible orgánico (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 masa, el efecto sobre la gestión del agua debido a un cambio en la presión de vapor o un cambio en el volumen del electrolito también puede ser perjudicial.
Debido a este efecto de envenenamiento, existen dos variantes principales de celdas de combustible: electrolito estático y electrolito fluido. Las celdas de electrolito estático o inmovilizado, 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 celdas de combustible suelen utilizar catalizadores de platino para lograr la máxima eficiencia volumétrica y específica.
Los diseños de electrolitos de flujo continuo utilizan una matriz más abierta que permite que el electrolito fluya entre los electrodos (en paralelo 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 continuo, el agua producida se retiene en el electrolito y el electrolito viejo se puede cambiar por uno nuevo, de manera análoga a un cambio de aceite en un automóvil. Se requiere más espacio entre los electrodos para permitir este flujo, y esto se traduce en un aumento de la resistencia de la celda, lo que disminuye la potencia de salida en comparación con los diseños de electrolitos inmovilizados. Otro desafío para la tecnología es la gravedad del problema del bloqueo permanente del cátodo por K 2 CO 3 ; algunos informes publicados han indicado miles de horas de funcionamiento al aire. Estos diseños han utilizado catalizadores de platino y de metales no nobles, lo que ha dado como resultado una mayor eficiencia y un mayor costo.
El diseño 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 están compuestos por una estructura de doble capa: una capa activa de electrocatalizador y una capa hidrófoba. La capa activa está formada por una mezcla orgánica que se muele y luego se enrolla a temperatura ambiente para formar una lámina autoportante reticulada. La estructura hidrófoba evita que el electrolito se filtre hacia los canales de flujo de gas reactivo y garantiza la difusión de los gases hacia el lugar de reacción. A continuación, las dos capas se presionan sobre una malla metálica conductora y la sinterización completa el proceso.
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 celdas de combustible alcalinas operan entre temperatura ambiente y 90 °C con una eficiencia eléctrica mayor que las celdas de combustible con electrolito ácido, como las celdas de combustible de membrana de intercambio de protones (PEMFC), las celdas de combustible de óxido sólido y las celdas 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 ánodo (donde se oxida el combustible); y catalizadores más baratos como la plata en el cátodo, [2] debido a los bajos sobrepotenciales asociados con las reacciones electroquímicas a pH alto .
Un medio alcalino también acelera la oxidación de combustibles como el metanol, haciéndolos más atractivos. Esto genera menos contaminación en comparación con las celdas de combustible ácidas.
Las pilas de combustible AFC son las más económicas de fabricar. El catalizador necesario para los electrodos puede ser cualquiera de una serie de 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 de esta tecnología desarrollada recientemente, con un rendimiento considerablemente superior a las versiones monoplaca anteriores.
El primer barco de pila de combustible del mundo, el Hydra , utilizó un sistema AFC con una potencia neta de 5 kW.
Otro desarrollo reciente es la pila de combustible alcalina de estado sólido, que utiliza una membrana de intercambio aniónico sólida 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 portadores ricos en hidrógeno más seguros, como soluciones de urea líquida o complejos de aminas metálicas.
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