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Pilas de Combustible Alcalinas (AFC)

EQUIPO 3: Hernández Escamilla José Adolfo. Hernández Espinosa Ana Karen. Hernández Salinas Edgar Daniel. Rodríguez Zerón Sol Monserrat. Rosas Hernández Mario Javier.

Una celda de combustible es un dispositivo electroquímico que convierte la energía química de una reacción directamente en energía eléctrica. Las Pilas de Combustible Alcalinas (AFC, del inglés Alkaline Fuel Cells) fueron una de las primeras tecnologías embrionarias. Sus primeros usos estaban orientados a suministrar energía eléctrica y agua en las naves espaciales norteamericanas de los años 60. El electrolito utilizado es una solución de hidróxido de potasio diluido y utilizan una gran variedad de metales no precisos como catalizadores.

• El electrolito consiste en una solución con concentración de un 85% de hidróxido de potasio (KOH). • Los electrodos están separados por una membrana de amianto en ambos casos, estando éste absorbido en las paredes en el caso de aplicaciones estáticas. • En relación a los electrodos de estas pilas, el ánodo y el cátodo están constituidos por diferentes materiales en función de la variante tecnológica utilizada. En el caso del ánodo se suele utilizar platino o paladio y en el caso del cátodo oro o platino o bien carbono dopado con platino. • Estos electrodos están vinculados a una malla de níquel como colector de corriente, con un esqueleto de plástico moldeado actuando como manifold de gas, agua y electrolito. • Entre los catalizadores disponibles para estas aplicaciones destacan el níquel y la plata en sustitución del platino.

• Las pilas AFC de altas temperaturas pueden funcionar a temperaturas entre 100°C y 250°C. • El electrólito está contenido en una matriz de amianto y puede usar Ni, Ag, óxidos metálicos y metales nobles como catalizador en los electrodos. • Debido a las bajas temperaturas de operación, el CO puede desactivar el catalizador hasta en concentraciones muy bajas y el CO2 reacciona con el electrólito. Por lo tanto las AFCs deben funcionar con la pureza alta de H2 y O2. • Las pilas AFC son de alto rendimiento debido a la velocidad a la que tienen lugar las reacciones que se producen en ellas. Con eficiencias mayores del 50% después de 8000 horas de trabajo. Para amortizar la inversión económica deben trabajar más de 40000 horas, lo cual es difícil de conseguir por la degradación de sus componentes. • El sobrevoltaje de activación en el cátodo es generalmente menor que con un electrólito ácido. Esto permite que las AFCs tenga voltajes de operación altos, 0.875V por célula, bastante más alto que con, por ejemplo, PEMFCs.

La reacción en el ánodo: 2H2 + 4OH− → 4H2O + 4e− Y en el cátodo: O2 + 4e− + 2H2O → 4OH−

Se pueden observar las condiciones de funcionamiento que presentan las siguientes pilas AFC: Pila de Presión combustible (bar)

Temperatur KOH (% Catalizador Catalizador a (°C) concentraci del ánodo del cátado ón)

Bacon

45

200

30

Ni

NiO

Apollo

3,4

230

75

Ni

NiO

Orbiter

4,1

93

35

Pt/Pd

Au/Pt

Siemens

2,2

80

Ni

Ag

• Electrolito móvil.

• Electrolito estático.

• AFC con combustible disuelto.

La solución de KOH es distribuida alrededor de la pila de combustible. Se suministra hidrógeno proveniente de un compresor de gas cilíndrico al ánodo y se hace circular mediante un inyector, aunque también puede hacerse con una bomba en otros sistemas. En el ánodo se produce vapor de agua que es condensada en la unidad de refrigeración para poder extraerla de la pila.

Una alternativa a un electrólito ‘libre’ es que cada celda en la pila tenga su propio electrolito. La solución KOH se sitúa en una matriz, que es por lo general es de amianto. Este material tiene una porosidad excelente, la fuerza, y resistencia de corrosión, aunque, por problemas de seguridad dificulta su uso en sistemas de PC de uso público.

El electrólito es la solución KOH, con un combustible, como hidrazina, o amoniaco, mezclado con él. El ánodo tiene un catalizador de platino y el combustible está totalmente en contacto con el ánodo y el cátodo. Esto supone un problema por ‘la transición de combustible’ muy severo. Sin embargo, en este caso, esto no importa demasiado, cuando el catalizador de cátodo no es el platino porque entonces la velocidad de reacción del combustible en el cátodo es muy baja. La pila es alimentada simplemente añadiendo más combustible al electrólito. Una variación posible debe poner una membrana a través de la región de electrólito y sólo proporcionar el combustible debajo de la membrana – una membrana que evite que el combustible llegue al cátodo.

• Con respecto a su operación, la eficiencia de estas pilas (utilizando oxígeno e hidrógeno puros) se acerca al 63%. • La utilización de aire en lugar de oxígeno puro reduce la eficiencia a valores cercanos al 50%, pero sin embargo esta variante introduce una mejora en los costes. • Relativo a la eficiencia, los aumentos de concentración de KOH suponen una mejora en los rendimientos a temperaturas más elevadas. • Para aplicaciones prolongadas en el tiempo las AFC de KOH o de NaOH, sólo se pueden usar con oxígeno puro o con aire exento de CO2.

• Los inicios de esta tecnología se sitúan en los años 50 del siglo XX, cuando el ingeniero Francis T. Bacon desarrolló un sistema de 5 kW que operaba a 200°C y por debajo de 5 bares de presión, • Esta tecnología fue utilizada en los programas Gemini y Apollo de la NASA en los años 60 y también en transbordadores espaciales, donde actualmente sigue utilizándose.