Desarrollo de pilas de combustible
Una pila de combustible es un dispositivo de conversión de energía que convierte continuamente energía química en energía eléctrica a través de la reacción redox del ánodo y cátodo. En los últimos 20 años, las pilas de combustible han pasado por varios tipos de etapas de desarrollo, como alcalinas, de ácido fosfórico, de carbonato fundido y de electrolito sólido. Estados Unidos, Japón y otros países han establecido sucesivamente algunas plantas de energía de celdas de combustible de carbonato, plantas de energía de celdas de combustible de carbonato fundido y plantas de energía de celdas de combustible de membrana de intercambio de protones. La estructura de una pila de combustible es básicamente la misma que la de una batería normal, con un ánodo y un cátodo separados por un electrolito. A diferencia de las baterías ordinarias, las pilas de combustible son un sistema abierto. Requiere un suministro continuo de reactivos químicos para garantizar un suministro de energía continuo. Cómo funciona: una pila de combustible consta de un ánodo, un cátodo y un electrolito conductor de iones. El combustible se oxida en el ánodo, el oxidante se reduce en el cátodo y los electrones fluyen del ánodo al cátodo a través de la carga, formando un circuito y generando corriente.
Las pilas de combustible no están limitadas por el ciclo de Carnot, tienen una alta eficiencia de conversión de energía, la potencia de salida de la pila de combustible está determinada por el rendimiento de la pila individual, el área del electrodo y el número de pilas individuales. Tienen pocos problemas ambientales, respuesta de carga rápida y alta calidad operativa. En ese momento apareció el primer pico de desarrollo, centrándose en el desarrollo de FC alcalinos. Aunque no se ha aplicado a vehículos y grandes centrales eléctricas como se esperaba, el éxito del FC en los vuelos espaciales demuestra sus destacadas ventajas. A principios de la década de 1970, debido a la reducción de la inversión, la investigación en FC entró en un punto bajo. A finales de la década de 1970, debido al avance de la ciencia de los materiales y la escasez de energía en todo el mundo, el desarrollo de nuevas tecnologías de generación de energía y la mejora de la utilización de combustibles fósiles como el petróleo, el gas natural y el carbón se convirtieron en un tema de gran preocupación y de gran importancia. La investigación sobre FC alcanzó su segundo clímax, cuando se puso énfasis en ella.
Desarrollar pilas de combustible de fosfato (PAFC), pilas de combustible de carbonato fundido (MCFC) y pilas de combustible de óxido sólido (SOFC). Ahora, como cuarta generación de energía después de la energía hidráulica, la energía del fuego y la energía atómica, las pilas de combustible han atraído la atención mundial.
La pila de combustible de carbonato fundido se compone principalmente de ánodo, cátodo, sustrato de electrolito y placa colectora de corriente o placa bipolar.
(1) Ánodo
MCFC Plata y platino; Primero se utilizaron como catalizadores anódicos. Posteriormente, para reducir costes, se utilizó níquel, que tiene buena conductividad eléctrica y propiedades electrocatalíticas. Sin embargo, se descubrió que el níquel se sinterizaba y se desplazaba bajo la influencia de la temperatura de funcionamiento del MCFC y la fuerza de ensamblaje de la batería, por lo que el MCFC utilizó una aleación de níquel-cromo o níquel-aluminio como electrocatalizador de ánodo. El propósito de agregar 2~10Cr es evitar la sinterización, pero los ánodos de níquel-cromo son propensos a deformarse. Además, el electrolito puede litiar el cromo y consumir carbonatos. La reducción del contenido de cromo reduce la pérdida de electrolitos pero aumenta la fluencia. Por el contrario, los ánodos de níquel-aluminio exhiben menos fluencia y menos pérdida de electrolitos, y la fluencia reducida se debe a la formación en la aleación.
(2) Cátodo
El óxido de níquel se utiliza ampliamente como catalizador catódico de pilas de combustible de carbonato fundido. El método de preparación típico es el electrodo de níquel poroso
La batería se oxidará in situ durante el proceso de calentamiento, pero el electrodo de NiO preparado de esta manera se expandirá y apretará la carcasa de la batería hacia afuera, destruyendo la conexión entre la carcasa. y la matriz del electrolito. Hay varias formas de mejorar este defecto:
La longitud del electrodo de Ni primero se oxida fuera de la batería y luego se dopa con Li dentro de la batería o tanto la oxidación como el dopaje con Li se realizan fuera de la batería;
2. Sinterizar directamente con polvo de NiO, dopar con Li antes de sinterizar o dopar con Li:
3. Sinterizar polvo de níquel metálico en el aire para completar la sinterización y la oxidación al mismo tiempo. ;
(3) Sustrato de electrolito
El sustrato de electrolito es una parte importante de MCFC, y su uso también es una de las características de MCFC. La matriz del electrolito consta de un soporte y carbonato, estando el electrolito fijado en el soporte. El sustrato no es sólo un conductor de iones sino también un separador de cátodo y ánodo. Debe tener alta resistencia, resistencia a altas temperaturas y resistencia a la corrosión de sales fundidas, ser capaz de bloquear el paso de gas después de sumergirse en electrolitos de sales fundidas y tener buena conductividad iónica.
Su plasticidad se puede utilizar para sellar gases en baterías para evitar fugas de gas, lo que se denomina "sellado húmedo".
(4) Placa colectora de corriente (placa bipolar)
La placa bipolar no solo puede separar el oxidante y el agente reductor, proporcionar un canal de flujo de gas, sino también actuar como un Colector y conductor. Función, por lo que también se le llama placa colectora o placa de aislamiento. En el entorno de trabajo de la batería, se forma la superficie de acero inoxidable en el lado del cátodo y su capa interna contiene óxido de cromo. Ambos actúan como películas de pasivación y reducen la velocidad de corrosión del acero inoxidable. Para reducir la velocidad de corrosión en el lado del ánodo de la placa bipolar, se utiliza niquelado. MCFC utiliza un sello de diafragma integrado en metaaluminato sumergido en sal fundida, lo que se denomina sello húmedo. Para evitar la corrosión galvánica en los sellos húmedos, a menudo se utilizan recubrimientos de aluminio para proteger los sellos húmedos de las placas bipolares. En condiciones de funcionamiento de la batería, el revestimiento forma una densa capa aislante de metaaluminato.
En resumen, las pilas de combustible se están desarrollando rápidamente y alcanzarán una escala considerable. Su investigación y desarrollo se centra en: membranas catalizadoras para conversión de combustible, reducción de costes, instalaciones de seguridad, tecnología de almacenamiento de hidrógeno, etc.