pila de combustible alcalina

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 siguiente reacción:

${\displaystyle \mathrm {H} _{2}+\mathrm {2OH} ^{-}\longrightarrow \mathrm {2H} _{2}\mathrm {O} +\mathrm {2e} ^{-}}$

produciendo agua y liberando electrones. Los electrones fluyen a través de un circuito externo y regresan al cátodo , reduciendo el oxígeno en la reacción:

${\displaystyle \mathrm {O} _{2}+\mathrm {2H} _{2}\mathrm {O} +\mathrm {4e} ^{-}\longrightarrow \mathrm {4OH} ^{-}}$

Se producen iones hidróxido . La reacción neta consume una molécula de oxígeno y dos de hidrógeno para la producción de dos moléculas de agua. Como subproductos de esta reacción se generan electricidad y calor.

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" mediante la conversión de KOH en carbonato de potasio (K₂CO₃ ₎ . ^{[ 2 ]} Debido a esto, las celdas de combustible alcalinas suelen funcionar con oxígeno puro, o al menos con aire purificado _, e incorporan un depurador en su diseño para eliminar la mayor cantidad posible de dióxido de carbono. ^{[ 1 ]} Dado que los requisitos de generación y almacenamiento de oxígeno hacen que las celdas de combustible alcalinas de oxígeno puro sean costosas, hay pocas empresas dedicadas al desarrollo activo de esta tecnología. Sin embargo, existe cierto debate en la comunidad científica sobre si el envenenamiento es permanente o reversible. Los principales mecanismos de envenenamiento son el bloqueo de los poros del 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 devuelve a la celda su rendimiento original. Cuando el dióxido de carbono reacciona con el electrolito, se forman carbonatos. Estos carbonatos pueden precipitarse en los poros de los electrodos, obstruyéndolos con el tiempo. Se ha observado que las celdas de combustible alcalinas (AFC) que operan a temperaturas más altas no presentan una reducción en su rendimiento, mientras que a temperatura ambiente se observa una disminución significativa. Se cree que la intoxicación por carbonatos a temperatura ambiente se debe a la baja solubilidad del K₂CO₃ _{en ese rango} , lo que provoca su precipitación y el bloqueo de los poros del electrodo. Además, estos precipitados disminuyen gradualmente la hidrofobicidad de la capa de soporte _del electrodo , lo que conlleva una degradación estructural y la inundación del electrodo.

${\displaystyle \mathrm {CO} _{2}+\mathrm {2KOH} \longrightarrow \mathrm {K} _{2}\mathrm {CO} _{3}+\mathrm {H} _{2}\mathrm {O} }$ Por otro lado, los iones hidróxido portadores de carga en el electrolito pueden reaccionar con el dióxido de carbono procedente de la oxidación de combustibles orgánicos (es decir, metanol, ácido fórmico) o del aire para formar especies de carbonato.

${\displaystyle \mathrm {2OH} ^{-}+\mathrm {CO} _{2}\longrightarrow \mathrm {CO} _{3}^{2-}+\mathrm {H} _{2}\mathrm {O} }$ La formación de carbonato reduce la concentración de iones hidróxido en el electrolito, lo que disminuye su conductividad y, por consiguiente, el rendimiento de la celda. Además de estos efectos generales, el impacto en la gestión del agua debido a un cambio en la presión de vapor o en el volumen del electrolito también puede ser perjudicial.

Debido a este efecto de envenenamiento, existen dos variantes principales de celdas de combustible de amonio (AFC): de electrolito estático y de electrolito fluido. Las celdas de electrolito estático, o inmovilizado, del tipo utilizado en las naves espaciales Apolo y el transbordador espacial, suelen emplear un separador de amianto saturado en hidróxido de potasio. La producción de agua se controla mediante la evaporación del ánodo, lo que genera 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 fluidos utilizan una matriz más abierta que permite que el electrolito fluya entre los electrodos (en paralelo a ellos) o a través de ellos en dirección transversal (como en las celdas de combustible tipo ASK o EloFlux). En estos diseños, el agua producida se retiene en el electrolito y este puede reemplazarse por uno nuevo, de forma similar al cambio de aceite de un automóvil . Se requiere más espacio entre los electrodos para permitir este flujo, lo que se traduce en un aumento de la resistencia de la celda y _una disminución de la potencia de salida en comparación con los diseños de electrolitos inmovilizados. Otro desafío para esta tecnología es la gravedad del problema del bloqueo permanente del cátodo por K₂CO₃ _; algunos informes publicados indican miles de horas de funcionamiento con aire. Estos diseños han utilizado catalizadores de platino y metales no nobles, lo que ha resultado en una mayor eficiencia y un mayor costo.

El diseño EloFlux, con su flujo transversal de electrolito, tiene la ventaja de una construcción de bajo coste y un electrolito reemplazable, pero hasta ahora solo se ha demostrado su eficacia utilizando oxígeno.

Los electrodos constan de una estructura de doble capa: una capa electrocatalítica activa y una capa hidrofóbica. La capa activa se compone de una mezcla orgánica que se muele y luego se lamina a temperatura ambiente para formar una lámina reticulada autoportante. La estructura hidrofóbica impide que el electrolito se filtre en los canales de flujo de los gases reactivos y garantiza la difusión de los gases hacia el sitio de reacción. Posteriormente, ambas capas se presionan sobre una malla metálica conductora y la sinterización completa el proceso.

Otras variantes 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 la 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 se traduce en una menor contaminación en comparación con las pilas de combustible ácidas.

Las pilas de combustible alcalinas (AFC) son las más económicas de fabricar. El catalizador necesario para los electrodos puede ser cualquiera de una variedad de productos químicos diferentes que son económicos en comparación con los que se requieren 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 y con un rendimiento considerablemente superior al de las versiones monoplaca anteriores.

El Hydra , el primer barco del mundo propulsado por pila de combustible , utilizaba un sistema AFC con  una potencia neta de 5 kW.

Otro avance 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 más seguros ricos en hidrógeno, como soluciones líquidas de urea o complejos de aminas metálicas.

• Electrodo de difusión de gas
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Desarrolladores

• Energía AFC
• Poder independiente
• Energía Gencell