Tipos de Celdas de Combustible de Hidrógeno
Hay muchos tipos comunes de celdas de combustible de hidrógeno, que generalmente se diferencian según el tipo de electrolito utilizado en la célula: Celda de Combustible de Álcali (AFC), Celda de Combustible de Ácido Fosfórico (PAFC), Celda de Combustible de Carbonato Fundido (MCFC), Celda de Combustible de Óxido Sólido (SOFC) y Celda de Combustible de Membrana de Intercambio de Protones (PEMFC).
Las celdas de combustible de diferentes tipos tienen diferentes temperaturas de funcionamiento. Los diferentes tipos de celdas de combustible tienen diferentes temperaturas de funcionamiento, por lo que también pueden clasificarse en diferentes categorías según sus temperaturas de funcionamiento.
Celda de Combustible de Álcali, AFC
Cuando el electrolito de la celda de combustible de hidrógeno es alcalino, la permeabilidad del combustible será menor y la densidad de corriente del electrolito será mayor. El electrolito suele ser una solución de KOH. AFC generalmente utiliza el elemento metálico platino (Pt) como catalizador. Para los catalizadores de aleación, la estabilidad y reactividad de los catalizadores se ven afectadas en diversos grados por las diferencias en el tipo de soporte, grado de dispersión, capacidad de carga y otros factores. El rendimiento del catalizador puede mejorarse dopando modificadores. Generalmente, las reacciones positivas y negativas de las celdas de combustible alcalinas son las siguientes:
Ánodos : 2H2+4OH-=4H2O+4e- Cátodo : O2+2H2O+4e-=4OH-
Generalmente, AFC tiene un rendimiento de trabajo relativamente bueno en un entorno de 80°C, y tiene características de respuesta de inicio muy rápida, pero su densidad energética es solo una décima parte de la de PEMFC. El electrolito de AFC es alcalino, por lo que en el trabajo real, el oxidante debe usar oxígeno puro. Si se usa aire como oxidante, la vida útil real se reducirá considerablemente debido al CO en el aire, lo que aumentará mucho el costo de aplicación comercial. Actualmente, AFC solo se usa en el campo militar, y otros campos de aplicación son relativamente raros, y su tasa de aplicación comercial no es alta.
Celda de Combustible de Ácido Fosfórico, PAFC
El electrolito y el catalizador de PAFC son ácido fosfórico concentrado y platino respectivamente, y generalmente trabajan a unos 200°C, lo que pertenece a las celdas de combustible de temperatura media. PAFC no solo puede usar hidrógeno como combustible, sino también usar directamente combustibles baratos como gas natural, metanol y gas natural. En comparación con las celdas de combustible alcalinas, su mayor ventaja es que no requiere equipos especiales para el tratamiento de CO, por lo que el gas de reacción puede usar aire directamente. PAFC usa gas reformado como combustible, y su aplicación en estaciones de energía fijas y otros campos relacionados tiene grandes ventajas y potencial.
El principio de la reacción de PAFC es: el gas combustible se introduce en el reformador, y el combustible sufre una reacción química [CxHy + XH2O→XCO+(X+Y/2)H2] a una temperatura de reacción de 800°C y se convierte en una mezcla de H, CO y vapor de agua. Al mismo tiempo, HO y CO son catalizados por el catalizador para generar HO y CO en el reactor de cambio. Finalmente, el combustible se procesa y entra en la pila de combustible en el electrodo negativo, mientras que el O en el aire sufre una reacción química en el electrodo positivo (electrodo de aire) de la pila de combustible, y es catalizado por el catalizador para generar electricidad y calor. La reacción del electrodo se muestra en la figura a continuación. El proceso de reacción es:
Ánodos : 2H2+4OH-=4H2O+4e- Cátodo : O2+2H2O+4e-=4OH- Reacción Química : 1/2O2+H2→H2O
La investigación y desarrollo inicial de la PAFC se enfocó en controlar el equilibrio de energía de la red eléctrica. A finales del siglo XX, su enfoque se centró en proporcionar servicios combinados de calor y energía a residencias de ciudadanos, hospitales, centros comerciales, hoteles, etc. Además, la PAFC también puede utilizarse para el suministro de energía de vehículos y como fuente de energía portátil.
Celda de Combustible de Carbonato Fundido, MCFC
Generalmente se utilizan mezclas de carbonato de metales Li, K, Na y Cs como el electrolito de MCFC. Material de diafragma (electrolito cerámico poroso) LiAlO2, cátodo cerámico poroso de óxido de litio (óxido de níquel), ánodo metálico poroso (níquel poroso), placa metálica y otras estructuras junto con el electrolito forman la estructura básica de MCFC. MCFC tiene una velocidad de reacción más alta debido a su mayor temperatura de trabajo (650-700°C). Además, se utiliza electrolito líquido, y la operación es simple. Lo importante es que la celda de combustible requiere una pureza relativamente baja del combustible y no requiere catalizadores de metales nobles, lo que reduce considerablemente el costo. MCFC generalmente se utiliza en el suministro de energía regional.
El material del separador del electrolito es LiAlO2, se utiliza óxido de níquel adicionado con litio como el electrodo positivo, y níquel poroso como el electrodo negativo. Este material sufrirá una transición de fase a 650°C para producir CO3-2. Y combinado con H2 para producir H2O, CO2 y electrones. La reacción química es la siguiente:
Ánodos : CO2-3+H2=H2O+CO2+2e- Cátodo : CO2+O2+4e-=2CO2-3 Reacción Química : 2H2+O2=2H2O+Electricity Energy
Se puede deducir de la reacción química de MCFC que el ion conductor es CO3-2, y el CO2 es un reactante en el cátodo y un producto en el ánodo. La interfaz estable de tres fases de su MCFC se establece mediante el equilibrio de presión del capilar dentro del electrodo poroso. Cuando MCFC funciona, el CO2 está en constante circulación. El CO2 producido por el ánodo se devuelve al cátodo, asegurando así la operación normal y continua de la batería. El diagrama del principio de funcionamiento de MCFC se muestra en la figura. MCFC puede usarse como un sistema de generación de energía independiente, pero la celda de combustible no puede convertir toda la energía del combustible en la actualidad, y hay ciertos factores como la pérdida. Por lo tanto, la eficiencia de MCFC como un sistema de generación de energía independiente es baja. Bajo circunstancias normales, MCFC se puede combinar con turbinas de gas para generar electricidad, y su eficiencia de generación de energía y utilización del combustible se puede aumentar en aproximadamente un 60%, y el costo se puede reducir.
Celda de Combustible de Óxido Sólido, SOFC
Entre varias celdas de combustible comunes, la celda de combustible de óxido sólido (SOFC) tiene la mayor densidad energética teórica. El electrolito de SOFC es un cerámico sólido, y la celda individual consta de dos electrodos porosos y una capa de electrolito ajustada entre ellos. La temperatura de funcionamiento de SOFC es muy alta, y la temperatura máxima de funcionamiento puede alcanzar 800-1000°C, por lo que su electrolito tiene la función de transferir O2- y separar el oxidante y el combustible. Las moléculas de oxígeno sufren una reacción de reducción en el cátodo para producir O2-. Bajo la influencia de la diferencia de potencial y la pobre concentración de oxígeno en ambos lados del diafragma, O2- realizará una transición direccional al lado del ánodo para la reacción de oxidación con el combustible.
Cuando SOFC está funcionando, el oxígeno en el lado del cátodo se reduce a iones de oxígeno debido a la ganancia de electrones. Los iones de oxígeno se transportan al lado del ánodo a través de las vacantes de oxígeno en la capa de electrolito debido a la diferencia de presión parcial y de presión, y se oxidan con el combustible para perder electrones. Su principio de funcionamiento se muestra en la figura.
Ánodos : H2+O2-=H2O+2e- Cátodo : 1/2O2+2e-=O2- Reacción Química : H2+1/2O2=H2O
Debido a la potencia limitada actual de la batería individual SOFC, solo puede generar un voltaje de aproximadamente 1V. Por lo tanto, es necesario formar un paquete de baterías conectando varias baterías individuales en serie, paralelo e híbrido para aumentar en gran medida la potencia para satisfacer la demanda de energía de aplicaciones prácticas. SOFC generalmente se usa para generación combinada de calor y energía estacionaria de pequeña y mediana escala. El progreso continuo y la innovación de los materiales termoeléctricos también han mejorado enormemente sus beneficios económicos. Debido a que la temperatura de funcionamiento de SOFC suele ser de 650-1000°C, una tasa de calentamiento demasiado rápida causará daños a los componentes de la batería. Por lo tanto, todavía existen problemas técnicos clave como el tiempo de arranque lento (65-200min).
Celda de Combustible de Membrana de Intercambio de Protones, PEMFC
EMFC utiliza una membrana de polímero como electrolito, también conocida como celda de combustible de electrolito polimérico, y está compuesta por un cátodo, un ánodo y un circuito externo. Actualmente, la aplicación de PEMFC en el campo de vehículos eléctricos y manejo de materiales es la más potencial. Dentro de la celda de combustible, los protones pasan a través de la membrana de intercambio del ánodo al cátodo, formando así un circuito con los electrones en el circuito externo para suministrar energía a la carga externa. En comparación con otras baterías, la temperatura de funcionamiento de PEMFC es más baja (generalmente inferior a 100°C), y la potencia de salida se puede ajustar de manera flexible según los requisitos de trabajo reales. Al mismo tiempo, las emisiones de la celda de combustible son agua y vapor de agua, lo que puede lograr cero contaminación; la eficiencia de conversión de energía es tan alta como del 60% al 70%; no se generará vibración ni ruido durante el proceso de trabajo. Además, PEMFC también tiene las ventajas de velocidad de arranque rápida, alta potencia específica, estructura simple y operación conveniente.
Cuando PEMFC está funcionando, el catalizador del ánodo promueve la ionización del combustible (H2) en iones de hidrógeno (H+), y luego los iones de hidrógeno (H+) pasan a través de la membrana de intercambio de protones al cátodo y liberan electrones (e–), haciendo trabajo en el circuito externo. El catalizador reduce el oxidante, y H+ y e– producen agua. El diagrama del principio de funcionamiento de PEMFC se muestra en la figura.
Ánodos : 4H++4e-=2H2 Cátodo : O2+4H++4e-=2H2O Reacción Química : 2H2+O2=2H2O+Calor
El PEMFC ya se está utilizando en autobuses, vehículos ligeros y montacargas. En los últimos años, los vehículos de celdas de combustible han logrado avances significativos en rendimiento, con autonomía y velocidad máxima comparables a las de los vehículos convencionales de gasolina.
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