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Jul 28, 2023 Pageview：92
Una celda de combustible alcalina (AFC) es un tipo de celda de combustible que utiliza un electrolito alcalino, normalmente hidróxido de potasio (KOH) o hidróxido de sodio (NaOH), como medio electrolítico. Convierte la energía química de un combustible, típicamente hidrógeno, directamente en energía eléctrica a través de una reacción electroquímica.
La estructura básica de una pila de combustible alcalina consta de dos electrodos, un ánodo y un cátodo, separados por un electrolito. El ánodo es el electrodo de combustible, donde se suministra el combustible de hidrógeno, mientras que el cátodo es el electrodo oxidante, normalmente alimentado con oxígeno o aire. El electrolito alcalino permite el transporte de iones de hidróxido (OH-) entre el ánodo y el cátodo.
La reacción química que ocurre dentro de una celda de combustible alcalina implica la oxidación de hidrógeno en el ánodo y la reducción de oxígeno en el cátodo. En el ánodo, el hidrógeno gaseoso (H2) se disocia en dos protones (H+) y dos electrones (e-). Los iones de hidróxido del electrolito se combinan con los protones para formar agua (H2O). Los electrones viajan a través de un circuito externo, generando corriente eléctrica y luego se combinan con oxígeno en el cátodo para formar agua.
Las pilas de combustible alcalinas tienen varias ventajas, como una alta eficiencia energética, una temperatura de funcionamiento baja y una cinética de reacción rápida. Pueden operar a temperaturas relativamente bajas, alrededor de 60-80 grados centígrados, lo que reduce la necesidad de costosos materiales catalizadores. El uso de un electrolito alcalino permite una alta conductividad iónica y mejora el rendimiento de la celda.
¿Qué significa pila de combustible alcalina?
El término "pila de combustible alcalina" se refiere a un tipo específico de pila de combustible que utiliza un electrolito alcalino como medio para la reacción electroquímica que genera electricidad. En este contexto, "alcalino" se refiere al tipo de electrolito utilizado en la pila de combustible.
Una celda de combustible es un dispositivo electroquímico que convierte la energía química de un combustible, típicamente hidrógeno, en energía eléctrica a través de una reacción con un oxidante, típicamente oxígeno o aire. El electrolito juega un papel crucial al facilitar el movimiento de iones entre los electrodos de combustible y oxidante.
En una celda de combustible alcalina, el electrolito es una solución alcalina, a menudo hidróxido de potasio (KOH) o hidróxido de sodio (NaOH). El electrolito alcalino permite la conducción de iones de hidróxido (OH-) entre los electrodos de combustible y oxidante, lo que permite que se produzca la reacción electroquímica.
La reacción química en una celda de combustible alcalina involucra la oxidación de hidrógeno en el ánodo y la reducción de oxígeno en el cátodo. En el ánodo, el hidrógeno gaseoso (H2) se disocia en dos protones (H+) y dos electrones (e-). Los iones de hidróxido del electrolito se combinan con los protones para formar agua (H2O). Los electrones fluyen a través de un circuito externo, generando corriente eléctrica y luego se combinan con oxígeno en el cátodo para formar agua.
Las pilas de combustible alcalinas tienen varias ventajas, como alta eficiencia, bajas temperaturas de funcionamiento y una cinética de reacción rápida. Se han utilizado en diversas aplicaciones, incluidas las misiones espaciales, debido a su fiabilidad y densidad de potencia. La investigación en curso tiene como objetivo mejorar su rendimiento y explorar nuevas aplicaciones para las pilas de combustible alcalinas en áreas como la generación de energía estacionaria y el transporte.
¿Cómo funciona una pila de combustible alcalina?
Una pila de combustible alcalino (AFC) funciona mediante un proceso electroquímico que implica la conversión de la energía química almacenada en un combustible, normalmente hidrógeno (H2), en energía eléctrica. Aquí hay una explicación paso a paso de cómo funciona una celda de combustible alcalina:
Suministro de combustible: El gas hidrógeno (H2) se suministra al ánodo (electrodo negativo) de la celda de combustible. Esto se puede hacer almacenando el hidrógeno gaseoso en un tanque o generándolo a través de un proceso de reformado.
Reacción del ánodo: en el ánodo, el hidrógeno gaseoso (H2) se disocia en dos protones (H+) y dos electrones (e-). Este proceso se ve facilitado por un catalizador, generalmente hecho de platino u otro material adecuado.
Reacción del ánodo: H2 → 2H+ + 2e-
Electrolito: Un electrolito alcalino, como una solución de hidróxido de potasio (KOH) o hidróxido de sodio (NaOH), está presente en la celda de combustible. El electrolito permite el movimiento de iones de hidróxido (OH-) entre el ánodo y el cátodo.
Reacción del cátodo: Se suministra gas oxígeno (O2) o aire al cátodo (electrodo positivo) de la celda de combustible. En el cátodo, el oxígeno gaseoso reacciona con los iones de hidróxido y las moléculas de agua para formar agua.
Reacción del cátodo: O2 + 2H2O + 4e- → 4OH-
Flujo de electrones: los electrones liberados durante la reacción del ánodo no pueden atravesar el electrolito directamente. En cambio, fluyen a través de un circuito externo, generando una corriente eléctrica que se puede utilizar para alimentar dispositivos o cargar baterías.
Reacción general: La reacción general en una celda de combustible alcalina implica la combinación de las reacciones del ánodo y el cátodo.
Reacción global: 2H2 + O2 → 2H2O
Generación de energía eléctrica: a medida que los electrones fluyen a través del circuito externo desde el ánodo hasta el cátodo, se produce energía eléctrica y se puede utilizar para alimentar dispositivos o sistemas eléctricos.
Productos de desecho: El producto de desecho de la celda de combustible alcalina es agua pura (H2O), que se produce como resultado de la reacción en el cátodo. Esta agua se puede recolectar y usar en varias aplicaciones o liberarse de manera segura.
Es importante tener en cuenta que la pila de combustible alcalina funciona a temperaturas relativamente bajas, normalmente entre 60 y 80 grados centígrados. El uso de un electrolito alcalino permite una alta conductividad iónica y mejora el rendimiento de la celda.
Las celdas de combustible alcalinas se han utilizado en diversas aplicaciones, incluidas las misiones espaciales, debido a su confiabilidad y alta densidad de potencia. La investigación en curso tiene como objetivo mejorar su eficiencia, reducir costos y explorar nuevas aplicaciones para las celdas de combustible alcalinas en áreas como la generación de energía estacionaria, los dispositivos portátiles y el transporte.
Características de la Pila de Combustible Alcalina
Las celdas de combustible alcalinas (AFC) poseen varias características distintas que las hacen únicas entre otros tipos de celdas de combustible. Estas son algunas de las características clave de las pilas de combustible alcalinas:
Electrolito alcalino: los AFC utilizan un electrolito alcalino, generalmente una solución de hidróxido de potasio (KOH) o hidróxido de sodio (NaOH). Este entorno alcalino facilita la conducción de iones de hidróxido (OH-) entre el ánodo y el cátodo, lo que permite un transporte de iones eficiente y mejora el rendimiento de la celda.
Alta eficiencia: los AFC son conocidos por su alta eficiencia de conversión de energía. El electrolito alcalino permite una cinética de reacción más rápida, lo que resulta en una eficiencia general mejorada en la conversión de energía química en energía eléctrica.
Baja temperatura de funcionamiento: las pilas de combustible alcalinas pueden funcionar a temperaturas relativamente bajas en comparación con otros tipos de pilas de combustible. Por lo general, los AFC funcionan en el rango de temperatura de 60 a 80 grados centígrados. Esta temperatura de operación más baja ayuda a reducir la necesidad de costosos materiales catalizadores y permite tiempos de inicio más rápidos.
Materiales catalizadores: los AFC tradicionalmente utilizan catalizadores de metales nobles, como el platino, en el ánodo y el cátodo para facilitar las reacciones electroquímicas. Sin embargo, la investigación en curso se centra en el desarrollo de catalizadores de metales no preciosos o en reducir la dependencia de materiales catalizadores costosos para reducir los costos.
Densidad de potencia: las celdas de combustible alcalinas exhiben una alta densidad de potencia, que se refiere a la cantidad de energía eléctrica producida por unidad de volumen o peso de la celda. Esta característica hace que los AFC sean adecuados para aplicaciones que requieren una salida de alta potencia en un factor de forma compacto y liviano.
Longevidad y confiabilidad: las celdas de combustible alcalinas han demostrado una excelente durabilidad y una larga vida útil operativa. Tienen un historial de rendimiento confiable, lo que los hace adecuados para aplicaciones donde la longevidad es crítica, como misiones espaciales y sistemas de energía remotos.
Flexibilidad de combustible: si bien el hidrógeno es el combustible más común utilizado en los AFC, las celdas de combustible alcalinas también pueden funcionar con otros combustibles ricos en hidrógeno, como el metanol o el etanol. Esta flexibilidad de combustible permite diversas opciones de combustible y la integración potencial con las infraestructuras de combustible existentes.
Respetuoso con el medio ambiente: los AFC producen agua (H2O) como único subproducto, lo que los hace respetuosos con el medio ambiente y no emiten contaminantes nocivos. La ausencia de emisiones de gases de efecto invernadero durante el funcionamiento de las pilas de combustible alcalinas contribuye a su perfil de energía limpia.
Estas características hacen que las celdas de combustible alcalinas sean adecuadas para diversas aplicaciones, incluida la exploración espacial, la generación de energía estacionaria, los dispositivos portátiles y, potencialmente, el transporte, aunque otros tipos de celdas de combustible, como las celdas de combustible de membrana de intercambio de protones (PEMFC), se usan más comúnmente en vehículos. La investigación en curso tiene como objetivo mejorar aún más el rendimiento, la durabilidad y la rentabilidad de las pilas de combustible alcalinas para ampliar sus aplicaciones y contribuir a un futuro energético sostenible.
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