Resumen del progreso de la investigación sobre pilas de combustible

1. Definiciones

FuelCells es un dispositivo de generación de energía electroquímica que no requiere el ciclo de Carnot y tiene una alta tasa de conversión de energía. El combustible y el aire se envían a las pilas de combustible por separado y la electricidad se produce maravillosamente. Mira los polos positivos y negativos y los electrolitos desde el exterior, como una batería, pero en esencia no puede "almacenar electricidad" sino una "planta de energía". Las pilas de combustible también se consideran un dispositivo de conversión de energía respetuoso con el medio ambiente debido al hecho de que casi no hay óxidos de nitrógeno y azufre que contaminen el medio ambiente durante el proceso de conversión de energía. Debido a estas ventajas, la tecnología de pilas de combustible se considera una de las nuevas tecnologías de generación de energía eficientes y respetuosas con el medio ambiente del siglo XXI. A medida que la investigación continúa avanzando, las pilas de combustible han comenzado a usarse en centrales eléctricas, micro fuentes de alimentación, etc.

2. Estructura básica

La estructura básica de la pila de combustible se compone principalmente de cuatro partes: ánodo, cátodo, electrolito y circuito externo. Por lo general, el ánodo es un electrodo extremadamente de hidrógeno y el cátodo es un electrodo extremadamente de oxígeno. Tanto el ánodo como el cátodo deben contener una cierta cantidad de catalizador eléctrico para acelerar la reacción electroquímica que se produce en el electrodo. Entre los dos electrodos está el electrolito.

3. Clasificación

En la actualidad, existen muchos tipos de pilas de combustible y hay muchas formas de clasificarlas. Clasificados por diferentes métodos de la siguiente manera:

(1) Clasificado por mecanismo de funcionamiento: se puede dividir en pilas de combustible ácidas y pilas de combustible alcalinas;

(2) Clasificados por tipo de electrolito: ácido, alcalino, sal fundida o electrolito sólido;

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(3) Clasificados por tipo de combustible: hay pilas de combustible directas y pilas de combustible indirectas;

(4) Por temperatura de funcionamiento de la pila de combustible: baja temperatura (por debajo de 200 ° C); Temperatura media (200-750 ° C); Tipo de alta temperatura (por encima de 750 ° C).

4. Principio

El principio de funcionamiento de las pilas de combustible es relativamente simple, incluida la oxidación del combustible y la reducción de oxígeno de las reacciones de dos electrodos y el proceso de transferencia de iones. La estructura de la pila de combustible inicial era relativamente simple, y solo requería electrolitos y dos electrodos sólidos para transmitir iones. Cuando se usa hidrógeno como combustible y oxígeno como oxidante, la reacción del ánodo y la reacción total de la celda de combustible son:

Ánodo: H2 → 2 H + 2 E-

Cátodos: 1/2 O2 + 2 H + 2 E- → H2O

Reacción total: H2 +1 / 2 O2 → H2O

Entre ellos, el H2 llega al ánodo por difusión y se oxida ay E bajo la acción de un catalizador. Desde entonces, H + llega al cátodo a través del electrolito, y los electrones también llegan al cátodo después de que la carga es alimentada por el circuito externo. Esto conduce a una reacción de reducción (ORR) con O2.

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II. Aplicaciones de pilas de combustible

Hoy en día, existen muchos tipos de pilas de combustible que se han desarrollado de acuerdo con las diferentes necesidades de aplicación. Según la categoría de iones de conductividad, se puede dividir en pilas de combustible ácidas, pilas de combustible alcalinas, pilas de combustible de carbonato de soldadura y pilas de combustible de óxido sólido (SOFC). Las pilas de combustible ácido también se pueden subdividir en PEMFC, pilas de combustible de alcohol directo y pilas de combustible de fosfato. Todos los tipos de pilas de combustible tienen sus características de funcionamiento, con temperaturas de funcionamiento tan bajas como -40 ° C y tan altas como 1000 °. Los tipos de pilas de combustible se pueden seleccionar de acuerdo con diferentes necesidades. Entre ellos, PEMFC es la pila de combustible que más atención ha recibido en las últimas décadas. PEMFC no solo tiene las características universales de las pilas de combustible, sino que también tiene las ventajas de un arranque rápido y un trabajo a bajas temperaturas, sin pérdida de fluido electrolítico, larga vida, potencia específica y mayor energía específica. Se considera la solución ideal para reemplazar los motores de combustión interna como fuentes de energía automotrices en el futuro.

Debido a las características de las celdas de combustible modulares, el amplio rango de potencia y la diversificación de combustible, se puede aplicar en una variedad de ocasiones: desde pequeñas hasta fuentes de alimentación de scooter, dispositivos de carga móviles y centrales eléctricas de hasta megavatios. De hecho, la comercialización de pilas de combustible ha continuado como un incendio. Los datos muestran que de 2008 a 2011, la cuota de mercado mundial de pilas de combustible como fuentes de energía de respaldo para equipos de redes de comunicaciones, logística y asistencia en tierra en aeropuertos aumentó en 214. Se espera que el valor de mercado de las pilas de combustible alcance los 19.200 millones de dólares en 2020.

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Los detalles deben describirse brevemente de la siguiente manera:

(1) Fuente de alimentación portátil

El aumento anual de las ventas de fuentes de alimentación portátiles ha atraído a muchas tecnologías energéticas. Sus productos incluyen computadoras portátiles, teléfonos móviles, radios y otros dispositivos móviles que requieren suministro de energía para su conveniencia personal. Los requisitos básicos de la fuente de alimentación móvil portátil generalmente requieren que la fuente de alimentación tenga las características de alta energía específica, ligera y compacta. La densidad de energía de las pilas de combustible suele ser de 5 a 10 veces mayor que la de las baterías recargables, lo que las hace más competitivas. Además, el hecho de que las pilas de combustible no requieran cargos adicionales también les permite adaptarse a una vida silvestre más prolongada. En la actualidad, existen pilas de combustible de metanol directo (DMFC) y PEMFC que se utilizan como fuentes de energía individuales militares y dispositivos de carga móviles. El costo, la estabilidad y la vida útil serán los problemas técnicos que las celdas de combustible deben resolver cuando se aplican a fuentes de energía móviles útiles.

(2) Fuente de alimentación fija

Las fuentes de energía fijas incluyen fuentes de energía de respaldo de emergencia, tratamiento de energía ininterrumpida y estaciones de energía independientes en áreas remotas. En la actualidad, las pilas de combustible ocupan alrededor de 70 megavatios del mercado de energía fija cada año, en comparación con las tradicionales baterías de plomo-ácido. Las celdas de combustible tienen un tiempo de funcionamiento más prolongado (aproximadamente 5 veces el de las celdas de plomo-ácido), mayor densidad que la energía, menor volumen y mejor adaptabilidad ambiental. Las centrales eléctricas independientes se consideran la forma más económica y confiable de suministrar electricidad en áreas remotas donde las redes inteligentes son difíciles de alcanzar y donde ocurren emergencias. Las pilas de combustible se han utilizado como centrales eléctricas independientes en muchos desastres, que han desempeñado un papel importante en el socorro en casos de desastre. Cabe señalar que las centrales eléctricas fijas suelen requerir una vida útil más larga (más de 80.000 horas), que es el mayor desafío técnico para la aplicación de la tecnología de pilas de combustible a las centrales eléctricas fijas.

(3) Fuente de alimentación de tráfico

La energía del tráfico ha sido un factor inductor importante en el desarrollo de tecnologías de energía limpia, ya que el 17% del gas de efecto invernadero (CO2) global se genera mediante la energía de transporte basada en combustibles fósiles, junto con otros problemas de contaminación del aire como la neblina. El PEMFC alimentado con H2 se considera la mejor alternativa al motor de combustión interna. Las principales razones son: (a) el gas de escape solo tiene agua y no descarga contaminante; (b) la pila de combustible es extremadamente eficiente (53% -59%), casi el doble que los motores de combustión interna convencionales; (c) Arranque rápido a baja temperatura, bajo ruido de funcionamiento y funcionamiento estable, muchos países del mundo están impulsando programas de energía de transporte de celdas de combustible, y Japón es uno de los países más radicales. Japón planea construir más de 1,000 estaciones de adición de amoníaco y operar 2 millones de vehículos de celda de combustible para 2025. En 2015, Toyota Motor Corporation of Japan comenzó a vender Mirai, la primera fuente de energía PEMFC del mundo, marcando una nueva era en la tecnología de celda de combustible para automoción. energía.

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III. Investigación de pilas de combustible

1. Desarrollo de pilas de combustible

La pila de combustible es una central eléctrica autónoma. Su nacimiento y desarrollo se basan en la electroquímica, electrocatálisis, dinámica de procesos de electrodos, ciencia de materiales, procesos químicos y automatización. Desde 1839, Grove ha publicado el primer informe mundial sobre pilas de combustible en más de 160 años. Desde un punto de vista técnico, nos damos cuenta de que la aparición, el desarrollo y la mejora de nuevos conceptos es la clave para el desarrollo de las pilas de combustible. Por ejemplo, las pilas de combustible utilizan gas como oxidante y combustible, pero la solubilidad del gas en electrolitos líquidos es muy pequeña, lo que da como resultado una densidad de corriente de funcionamiento muy baja de la batería. Para ello, los científicos propusieron el concepto de una interfaz trifásica entre electrodos de difusión de gas poroso y reacciones electroquímicas. Es la aparición de electrodos de difusión de gas porosos lo que hace que las pilas de combustible tengan las condiciones necesarias para su aplicación práctica. Para estabilizar la interfaz trifásica, se utilizó un electrodo de estructura de dos orificios y se añadió al electrodo un material repelente al agua, como politetrafluoroetileno, para preparar un electrodo repelente al agua unido. Para las celdas de combustible con un electrolito sólido como diafragma, como las celdas de combustible de membrana de intercambio de protones y las celdas de combustible de óxido sólido, para establecer una interfaz trifásica dentro del electrodo, se mezcla resina de intercambio iónico o material de electrolito de óxido sólido en el electrodo. catalizador para lograr el electrodo. Tridimensional.

La ciencia de los materiales es la base del desarrollo de las pilas de combustible. El descubrimiento de un nuevo material de alto rendimiento y su uso en pilas de combustible promoverá el rápido desarrollo de una pila de combustible. El desarrollo de membranas de amianto y su aplicación exitosa en baterías alcalinas han asegurado el uso exitoso de celdas de combustible de oxihidrógeno alcalino con membrana de amianto para transbordadores espaciales. El desarrollo exitoso de un diafragma de metasilicato de litio en carbonato fundido aceleró la construcción de una planta de energía experimental a escala MW para celdas de combustible de carbonato fundido. El desarrollo de membranas de electrolitos sólidos de zirconia estabilizada con itria ha hecho de las celdas de combustible de óxido sólido un tema de investigación candente para las futuras plantas de energía descentralizadas de celdas de combustible. La aparición de membranas de intercambio de protones de tipo ácido perfluorosulfónico ha dado lugar a la reactivación de la investigación sobre las pilas de combustible de membrana de intercambio de protones, lo que ha dado lugar a un rápido desarrollo.

Antes de la década de 1960, debido al rápido desarrollo y progreso de la energía hidroeléctrica, la generación de energía térmica y las baterías químicas, las pilas de combustible se encontraban en la etapa de investigación básica de teoría y aplicación, principalmente en el concepto, materiales y principios. El avance en las pilas de combustible se basa principalmente en los esfuerzos de los científicos. En la década de 1960, debido a la urgente necesidad de naves espaciales tripuladas para baterías de alta potencia, alta potencia específica y alta energía específica, las pilas de combustible han atraído la atención de algunos países y departamentos militares. Es en este contexto que Estados Unidos introdujo la tecnología de Bacon para producir con éxito la principal fuente de energía del espacio de aterrizaje lunar del Apolo, la celda de combustible de hidrógeno y oxígeno de temperatura media tipo Bacon. Desde la década de 1990, los seres humanos han prestado cada vez más atención a la protección del medio ambiente con el fin de lograr un desarrollo sostenible, proteger la tierra y beneficiar a las generaciones futuras. Sobre la base del rápido avance de las pilas de combustible de membrana de intercambio de protones, se han introducido varios vehículos eléctricos propulsados por ellas. Además de su elevado coste, su rendimiento es comparable al de las locomotoras diésel. Por lo tanto, los vehículos eléctricos de pila de combustible se han convertido en el foco de atención y competencia del gobierno estadounidense y de las grandes empresas automovilísticas.

En términos de inversión, antes la inversión en el desarrollo de pilas de combustible depende principalmente del gobierno, pero hasta ahora la empresa se ha convertido en la principal inversión en el desarrollo de pilas de combustible, especialmente los vehículos eléctricos de pila de combustible. Todas las principales empresas automovilísticas y petroleras del mundo han participado en el desarrollo de vehículos de pila de combustible. En solo unos años, han invertido alrededor de 8 mil millones de dólares estadounidenses. Hay 41 tipos de vehículos eléctricos de combustible que se han desarrollado con éxito, incluidos 24 automóviles y autobuses. 9 tipos de autobuses y 3 tipos de camionetas. Este año, Estados Unidos anunció un plan para invertir 2.500 millones de dólares estadounidenses en el desarrollo de automóviles eléctricos de pila de combustible, de los cuales el estado asignó 1.500 millones de dólares estadounidenses y las tres principales empresas automovilísticas invirtieron 1.000 millones de dólares estadounidenses.

2. Estado de la investigación de las pilas de combustible alcalinas (AFC)

La batería utiliza entre un 35% y un 45% de KOH como electrolito y penetra en un material de membrana de matriz inerte y porosa a una temperatura de funcionamiento inferior a 100 ° C. La ventaja de este tipo de batería es que la velocidad de reacción electroquímica del oxígeno en el líquido alcalino es mayor que en el líquido ácido, por lo que hay una gran densidad de corriente y potencia de salida, pero el oxidante debe ser oxígeno puro y la cantidad de catalizador de metal precioso en la batería es grande y la tasa de utilización no es alta. En la actualidad, el desarrollo de dicha tecnología de pilas de combustible está muy maduro y se ha aplicado con éxito en vuelos espaciales y submarinos. En China se ha desarrollado un sistema de pila de combustible alcalina de aire y amoniaco de 200 W y se han fabricado pilas de combustible alcalinas de 1 kW, 10 kW y 20 kW. A fines de la década de 1990, se obtuvieron resultados muy valiosos en el seguimiento del desarrollo. La tecnología central para el desarrollo de pilas de combustible alcalinas es evitar la destrucción de componentes electrolíticos alcalinos por el dióxido de carbono, ya sea parte del dióxido de carbono en el aire o del dióxido de carbono contenido en el gas de reformado de hidrocarburos. Procesamiento de eliminación, que sin duda aumenta el costo total del sistema. Además, el agua generada por la reacción electroquímica de la batería debe descargarse a tiempo para mantener el equilibrio hídrico. Por lo tanto, simplificar el sistema de drenaje y el sistema de control es también la tecnología central que debe resolverse en el desarrollo de pilas de combustible alcalinas.

3. Estado de la investigación de la pila de combustible de ácido fosfórico (PAFC)

Esta batería utiliza ácido fosfórico como electrolito y tiene una temperatura de funcionamiento de aproximadamente 200 ° C. La ventaja sobresaliente es que la cantidad de catalizador de metal precioso se reduce en gran medida en comparación con la pila de combustible de hidróxido alcalino, se requiere que la pureza del agente reductor se reduzca en gran medida y se puede permitir que el contenido de monóxido de carbono alcance el 5%. Tales baterías generalmente usan hidrocarburos orgánicos como combustible, los electrodos positivos y negativos están hechos de electrodos porosos hechos de politetrafluoroetileno, los electrodos están recubiertos con Pt como catalizador y los electrolitos son 85% de H3PO4. Tiene un rendimiento estable y una conductividad fuerte en el rango de 100 a 200 ° C. Las baterías de ácido fosfórico son más baratas de fabricar que otras pilas de combustible y están cerca de estar disponibles para uso civil. En la actualidad, la central de pila de combustible de mayor potencia en el mundo está utilizando la batería de este combustible. Estados Unidos ha incluido las pilas de combustible de ácido fosfórico como proyectos nacionales de investigación científica clave para la investigación y el desarrollo y ha vendido pilas de combustible de ácido fosfórico de grado 200kW al mundo. Japón ha producido la celda de combustible de ácido fosfórico más grande del mundo (11 MW). A principios de 2002, Estados Unidos había instalado y probado 235 conjuntos de dispositivos de generación de energía PAFC de 200 kW en todo el mundo, con una generación de energía acumulada de 4,7 millones de horas y vendido 23 conjuntos en 2001. En Estados Unidos y Japón, varios conjuntos de dispositivos han alcanzado la meta de diseño de 10,000 horas de generación continua de energía; cinco conjuntos de unidades de generación de energía PAFC de 200kW están actualmente en funcionamiento en Europa; Furi Electric y Mitsubishi Electric de Japón han desarrollado sistemas de generación de energía PAFC de 500kW; Wei Zidong de China y otros llevaron a cabo una investigación sobre electrocatalizadores de reducción de oxígeno Pt3 (Fe / Co) / C y propusieron el efecto de anclaje de Fe / Co en Pt. La tecnología de generación de energía de pila de combustible de ácido fosfórico se ha desarrollado rápidamente, pero su tiempo de desarrollo se ralentiza debido a retrasos en el desarrollo, como el largo tiempo de puesta en marcha y el bajo valor de utilización del calor residual.

4. Estado de la investigación de la pila de combustible de carbonato fundido (MCFC)

La batería utiliza una mezcla de bajo punto de fusión de dos o más carbonatos como electrolito, como un eutéctico de baja temperatura de carbonato alcalino, que se infiltra en un sustrato poroso, y el electrodo se dispara a partir de polvo de níquel, y el polvo de cátodo contiene una cantidad grande. Los elementos de metal de transición se utilizan como estabilizadores, principalmente en Estados Unidos, Japón y Europa Occidental. Se ha introducido una celda de combustible de carbonato fundido de tipo tubería común externa de 2 a 5 MW y se han logrado avances para resolver la degradación del rendimiento y la migración de electrolitos de MCFC. La compañía estadounidense de energía de celdas de combustible está probando plantas de energía MCFC de 263kW en el laboratorio. La italiana Ansaldo cooperó con la española Spanishcomp para desarrollar una central eléctrica MCFC de 100 kW y una central eléctrica MCFC de 500 kW. La japonesa Hitachi, Ltd. desarrolló la unidad de generación de energía 1MMCFC en 2000, Mitsubishi desarrolló la unidad de generación de energía MCFC de 200kW en 2000 y Toshiba desarrolló una unidad de generación de energía MCFC de 10kW de bajo costo. China ha incluido oficialmente a MCFC en el "Noveno Plan Quinquenal" nacional y ha desarrollado una celda de combustible de carbonato fundido de 1 a 5 kW. Los cátodos, ánodos, membranas electrolíticas y placas bipolares en MCFC son las cuatro principales dificultades en la investigación básica. La integración de estos cuatro componentes y la gestión de electrolitos son el núcleo técnico de la instalación y funcionamiento de los módulos de centrales eléctricas y paquetes de baterías MCFC.

5. Estado de la investigación de la pila de combustible de óxido sólido (SOFC)

El electrolito de la batería es un óxido compuesto, que tiene una fuerte función de conducción de iones a altas temperaturas (por debajo de 1000 ° C). Esto se debe a que el estado iónico de los iones mixtos, como el calcio, el bario o el estroncio, es más bajo que el de los iones de circonio, y algunos espacios de la red de aniones de oxígeno quedan libres para conducir la electricidad. En la actualidad, países de todo el mundo están desarrollando este tipo de baterías y ha habido un progreso sustancial, pero existen desventajas: alto costo de fabricación; temperatura demasiado alta; grietas dieléctricas; gran resistencia. Se han desarrollado celdas de combustible de óxido sólido formadas por diversas estructuras como tubulares, planas y corrugadas, y tales celdas de combustible se denominan celdas de combustible de tercera generación. Varias empresas de EE. UU. Y Japón están desarrollando centrales eléctricas SOFC de turbinas planas de 10 kW. Siemens-Westinghouse Electric de Alemania está probando un reactor de trabajo tubular SOFC de 100kW, y Estados Unidos está probando un reactor de trabajo SOFC de 25kW. La mayoría de los países domésticos se encuentran en la etapa de investigación básica de SOFC. La operación de SOFC a altas temperaturas también trae una variedad de materiales, problemas de sellado y estructurales, como sinterización de los electrodos, difusión química de la interfaz entre el electrolito y los electrodos, y la correspondencia entre materiales con diferentes coeficientes de expansión térmica y bipolar. materiales de placa. Estabilidad, etc. Estos también restringen el desarrollo de SOFC hasta cierto punto y se convierten en un aspecto clave de su avance tecnológico.

6. Estado de la investigación de la pila de combustible de membrana de intercambio de protones (PEMFC)

PEMFC es la celda de combustible de quinta generación que se está desarrollando rápidamente después de AFC, PAFC, MCFC y SOFC. Es la temperatura más baja, la relación de energía más alta, el arranque más rápido, la vida útil más larga y la más utilizada. Es para el poder aeroespacial y militar. Desarrollado. En los resultados de la encuesta social de la revista Time, se incluyó entre las diez primeras tecnologías nuevas del siglo XXI. La investigación y el desarrollo nacionales son representativos del uso de la tecnología AFC para acumular una investigación completa de PEMFC; También se ha trabajado mucho en la preparación, caracterización y análisis de electrocatalizadores PEMFC y Pt / C utilizando membranas de poliestireno sulfonato como electrolitos. Varias empresas de Estados Unidos, Japón, Sanyo, Mitsubishi y otras empresas también han desarrollado reactores portátiles de generación de energía PEMFC. Electric Systems Canada, en colaboración con EBARA de Japón, ha desarrollado equipos de generación de energía de 250kWPEMFC y sistemas de generación de energía portátiles de 1kWPEMFC. Alemania construyó un reactor experimental de 250 kWPEMFC en Berlín. La tecnología central de la celda de combustible de membrana de intercambio de protones es la tecnología de preparación del componente electrodo-membrana-electrodo tres en uno. Para propagarse al gas, se agregan conductores de protones al electrodo y se mejora el contacto entre el electrodo y la membrana. El electrodo, la membrana y el electrodo se presionan juntos por medio de presión caliente para formar un conjunto electrodo-membrana-electrodo tres en uno.Los parámetros técnicos de la membrana de intercambio de protones afectan directamente el rendimiento del componente tri-en-uno. y por lo tanto afecta la eficiencia operativa de toda la celda y la batería. El precio de PEMFC también restringe su proceso de comercialización. Por lo tanto, mejorar el rendimiento de sus componentes necesarios y reducir los costos operativos son direcciones importantes para el desarrollo de PEMFC.

7. Estado de la investigación de las pilas de combustible de carbono directo

En comparación con la combustión directa de carbono, las pilas de combustible de carbono directo tienen poca contaminación y alta utilización de energía, que es un método ideal de utilización de carbono. El informe de investigación sobre DCFC apareció por primera vez en 1896. Jacques usa carbón como electrodo negativo, hierro como electrodo positivo y un sistema de batería con NaOH fundido como electrolito y 100 celdas para formar la pila de baterías. Cuando la temperatura de funcionamiento de la pila de baterías es de 400 ~ 500 ° C, la potencia de salida total es de 1,5 kW, la densidad de corriente es de hasta 100 mA. Cm-2. Las celdas de combustible de carbono directo tienen una amplia gama de materias primas y tienen el potencial de realizar la utilización de desechos carbonosos, pero aún enfrentan el problema de las impurezas en el combustible que causan fallas en los electrodos y electrolitos.

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