Las pilas de combustible de óxido sólido (SOFC) funcionan a temperaturas superiores a las de carbonato fundido, con una temperatura de trabajo que oscila entre 800 y 1000 grados. En este tipo de pila de combustible, la fuerza electromotriz se origina a partir de diferentes presiones parciales de oxígeno en ambos lados de la pila. La celda individual consta de dos electrodos (el electrodo de combustible como electrodo negativo y el electrodo de oxidante como electrodo positivo) y un electrolito. Las funciones principales del ánodo y el cátodo son conducir electrones y proporcionar vías de difusión para los gases de reacción y los gases producto.
El electrolito sólido separa los gases por ambos lados. Debido a las diferentes presiones parciales de oxígeno en ambos lados, se genera un gradiente de potencial químico de oxígeno. Bajo la influencia de este gradiente de potencial químico, los iones de oxígeno que han ganado electrones en el cátodo se mueven hacia el ánodo a través del electrolito sólido. En el ánodo se liberan electrones, creando un potencial de voltaje entre los dos polos.
Las pilas de combustible de óxido sólido (SOFC) se promocionan como la tercera generación de pilas de combustible, con un óxido metálico sólido y no poroso como electrolito, a través del cual los iones de oxígeno se desplazan dentro del cristal para transportar iones. La tecnología ha alcanzado ahora una etapa madura. Sin embargo, debido al número limitado de materiales capaces de funcionar a altas temperaturas y a su elevado coste, se está dando un giro hacia el desarrollo de pilas de combustible de temperatura intermedia.
Principio
Cuando las pilas de combustible de óxido sólido (SOFC) funcionan con gas reformado (una mezcla de hidrógeno y CO) como combustible, se produce la siguiente reacción dentro de la pila de combustible:
En el cátodo, las moléculas de oxígeno ganan electrones y se reducen a iones de oxígeno, es decir,
O2+4e−→2O2−
Bajo la influencia de la diferencia de potencial y la fuerza impulsora de concentración en ambos lados de la membrana del electrolito, los iones de oxígeno, a través de las vacantes de oxígeno en la membrana del electrolito, sufren una transición dirigida al lado del ánodo y participan en reacciones de oxidación con el combustible, es decir,
H2+O2-→H2O+2e-
CO+O2-→CO2+2e-
Reacción general:
H2+CO+O2→CO2+H2O
composición
Para cumplir sin problemas la función de convertir energía eléctrica, una pila SOFC (celda de combustible de óxido sólido) debe incluir los siguientes componentes:
(1) Un dispositivo de conversión electroquímica que consta de un electrolito sólido y un cátodo y un ánodo. Entre los materiales electrolíticos, el circonio estabilizado con itria es el más desarrollado.
(2) Un reformador de combustible. Este dispositivo incluye un catalizador, un portador y un contenedor. Convierte el combustible en pequeñas moléculas gaseosas, como metano, y se coloca en el extremo frontal de la pila de celdas para intercambiar el calor generado durante el funcionamiento de la celda de combustible.
(3) Canales de transporte de gas y combustibles (o distribuidores de gas). Los metales se utilizan comúnmente como materiales de conducción para garantizar una difusión y transporte óptimos de los reactivos.
(4) Los colectores de corriente, también conocidos como escobillas eléctricas, normalmente fabricados con metales o materiales con buena conductividad electrónica, son esenciales para una conducción eficiente.
(5) Sensores. Se pueden utilizar varios sensores disponibles comercialmente para controlar la temperatura, la corriente, los tipos de compuestos y el voltaje de salida de la celda.
(6) Dispositivos de control térmico, como capas aislantes, refrigeradores, intercambiadores de calor y sistemas de ventilación.
(7) Carcasa metálica o vitrocerámica. Se emplean materiales utilizables a temperatura ambiente, como el acero inoxidable 304. Se requieren materiales resistentes a altas temperaturas para el contacto interno con la SOFC, lo que hace que las aleaciones metálicas comerciales sean favorables para reducir los costos de fabricación.
Características
Las pilas de combustible de óxido sólido (SOFC) son un tipo ideal de pila de combustible, que no solo posee la alta eficiencia y las ventajas respetuosas con el medio ambiente de otras pilas de combustible, sino que también presenta las siguientes características destacadas:
(1) Las SOFC tienen una estructura completamente sólida, lo que elimina los problemas de corrosión y pérdida de electrolitos asociados con el uso de electrolitos líquidos, lo que ofrece potencial para un funcionamiento a largo plazo.
(2) Al operar a temperaturas entre 800 y 1000 grados, las SOFC no solo eliminan la necesidad de catalizadores de metales preciosos sino que también pueden utilizar directamente gas natural, gas de síntesis e hidrocarburos como combustible, simplificando el sistema de pila de combustible.
(3) Las SOFC liberan calor residual a alta temperatura, que puede utilizarse en ciclos combinados con turbinas de gas o turbinas de vapor, mejorando significativamente la eficiencia general de la generación de energía.
