Pila de combustible de carbonato fundido

pilas de combustible de carbonato fundido (MCFC) son pilas de combustible de alta temperatura que funcionan a temperaturas de 600 °C o más.

Las pilas de combustible de carbonato fundido (MCFC) se desarrollaron para gas natural, biogás (producido como resultado de digestión anaeróbica o gasificación de biomasa) y plantas de energía a base de carbón para aplicaciones eléctricas, industriales y militares. Las MCFC son pilas de combustible de alta temperatura que utilizan un electrolito compuesto por una mezcla de sales de carbonato fundidas 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, los metales no preciosos se pueden utilizar como catalizadores en el ánodo y el cátodo, lo que reduce los costos.

La eficiencia mejorada es otra razón por la que las MCFC ofrecen reducciones de costos significativas en comparación con las celdas de combustible de ácido fosfórico (PAFC). Las pilas de combustible de carbonato fundido pueden alcanzar eficiencias cercanas al 60%, considerablemente más altas que las eficiencias del 37 al 42% de una planta de pilas de combustible de ácido fosfórico. Cuando el calor residual se captura y utiliza, la eficiencia general del combustible puede llegar al 85%.

A diferencia de las pilas de combustible de membrana alcalinas, de ácido fosfórico y de electrolitos poliméricos, las MCFC no requieren un reformador externo para convertir combustibles más densos en energía en hidrógeno. Debido a las altas temperaturas a las que operan los MCFC, estos combustibles se convierten en hidrógeno dentro de la propia celda de combustible mediante un proceso llamado reformado interno, que también reduce el costo.

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 elaborados a partir del carbón. Debido a que 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 puedan hacerse resistentes a impurezas como el azufre y las partículas que resultan de la conversión del carbón, un combustible fósil más sucio. fuente que muchas otras, en hidrógeno. Alternativamente, debido a que los MCFC requieren que se entregue CO₂ al cátodo junto con el oxidante, se pueden usar 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 MCFC actual es la durabilidad. Las altas temperaturas a las que operan estas celdas y el electrolito corrosivo utilizado aceleran la descomposición y corrosión de los componentes, lo que disminuye la vida útil de las celdas. Actualmente, los científicos están explorando materiales resistentes a la corrosión para componentes, así como diseños de celdas de combustible que aumenten la vida útil de las mismas sin disminuir el rendimiento.

Operación

Fondo

Los FC de carbonato fundido son un tipo de celda de combustible desarrollado recientemente que se dirige a sistemas de generación/distribución de energía pequeños y grandes, ya que su producción de energía está en el rango de 0,3 a 3 MW. La presión de funcionamiento está entre 1 y 8 atm, mientras que las temperaturas están entre 600 y 700 °C. Debido a la producción de CO₂ durante el reformado de combustibles fósiles (metano, gas natural), los MCFC no son una tecnología completamente ecológica, pero son prometedores debido a su fiabilidad y eficiencia (suficiente calor para co- generación con electricidad). Las eficiencias actuales de MCFC oscilan entre el 60 y el 70%.

Reacciones

Reformador Interno:

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Ánodo:

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Cátodo:

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Celular:

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Ecuación de Nernst:

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Materiales

Debido a las altas temperaturas de funcionamiento de los MCFC, los materiales deben seleccionarse con mucho cuidado para sobrevivir a las condiciones presentes dentro de la celda. Las siguientes secciones cubren los diversos materiales presentes en la pila de combustible y los avances recientes en la investigación.

Ánodo

El material del ánodo normalmente consiste en una aleación porosa a base de Ni (3-6 μm, 45-70 % de porosidad del material). El Ni está aleado con cromo o aluminio en el rango del 2 al 10%. Estos elementos de aleación permiten la formación de LiCrO₂/LiAlO₂ en los límites de grano, lo que aumenta la calidad del material. resistencia a la fluencia y evita la sinterización del ánodo a las altas temperaturas de funcionamiento de la pila de combustible. 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 pila de combustible. 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 componentes más baratos. Al mismo tiempo, una disminución de 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 Ni₃Al para reducir el transporte masivo de Ni en el ánodo cuando está en funcionamiento.

Cátodo

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 óxido de níquel litiado (el litio se intercala dentro de la estructura cristalina de NiO). El tamaño de los poros dentro del cátodo está en el intervalo de 7 a 15 µm, siendo poroso entre el 60 y el 70 % del material. El principal problema con el material del cátodo es la disolución del NiO, ya que reacciona con el CO₂ cuando el cátodo está en contacto con el electrolito de carbonato. Esta disolución provoca la precipitación del metal Ni en el electrolito y, dado que es conductor de electricidad, la pila 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. El óxido de magnesio sirve para reducir la solubilidad del Ni²⁺ en el cátodo y disminuye la precipitación en el electrolito. Alternativamente, la sustitución del material del cátodo convencional por una aleación LiFeO2-LiCoO2-NiO ha mostrado resultados de rendimiento prometedores y evita casi por completo el problema de la disolución del Ni del cátodo.

Electrolito

Los MCFC utilizan un electrolito líquido (carbonato fundido) que consiste en carbonato de sodio (Na) y potasio (K). Este electrolito está soportado por una matriz cerámica (LiAlO₂) para contener el líquido entre los electrodos. Se requieren altas temperaturas de la pila de combustible para producir suficiente conductividad iónica del carbonato a través de este electrolito. Los electrolitos MCFC comunes contienen un 62 % de Li₂CO₃ y un 38 % de K₂CO₃. 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, el Li₂CO₃ es un electrolito muy corrosivo y esta proporción de carbonatos proporciona la tasa de corrosión más baja. Debido a estas cuestiones, estudios recientes han profundizado en sustituir el carbonato potásico por un carbonato sódico. Un electrolito de Li/Na ha demostrado tener 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-LiAlO₂ a α-LiAlO₂) en el material durante funcionamiento celular. El cambio de fase va acompañado de una disminución del volumen del electrolito, lo que conduce a una menor conductividad iónica. A través de varios estudios, se ha descubierto que una matriz de α-LiAlO₂ dopada con alúmina mejoraría la estabilidad de fase manteniendo al mismo tiempo el rendimiento de la pila de combustible.

Pila de combustible MTU

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 diversos 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 marino. La temperatura de escape es de 400 °C, lo suficientemente alta como para usarse en muchos procesos industriales. Otra posibilidad es generar más energía eléctrica mediante una turbina de vapor. Dependiendo del tipo de gas de alimentación, la eficiencia eléctrica oscila 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.