1

Pilas de combustible de carbonato fundido (MCFC)

Objetivo

Describir de la manera más clara y precisa las pilas de carbonatos fundidos y su funcionamiento.

Analizar las ventajas y desventajas que la MCFC posee.

Introducción

¿Qué es una Pila de Combustible? Dispositivo electroquímico que convierte la energía química de las reacciones de oxidación de un combustible y de reducción de un oxidante en energía eléctrica y calor.

Elementos básicos: Ánodo, Cátodo y Electrolito.

Imagen 1. Funcionamiento de una pila de combustible.

Tipos de pilas de combustible

2

Pilas de combustible de carbonato fundido (MCFC)

Tabla 1. Tipos de pilas de combustible.

Antecedentes

La Pila de Combustible de Carbonatos Fundidos (MCFC) evolucionó desde los trabajos realizados a principios del año 1960, que trataban de encontrar una Pila de Combustible que trabajase directamente con carbón como combustible.

La utilización de los carbonatos alcalinos como elementos básicos para el desarrollo de una Pila de Combustible que utilizase “carbón directo” fue probada por Baur and Preis en 1937 en Suiza, pero poco a poco estos materiales fueron evolucionando hacia otro tipo de sales por su compatibilidad con el combustible oxidado.

Algo más tarde, en 1946, el científico ruso Davtyan desarrolló una celda que operaba a 700 ºC con un conductor sólido iónico como electrolito. Unos años más tarde, Broers y Katelaar en 1969 realizando ensayos con el electrolito desarrollado años atrás por Davtyan descubrieron que se constituía de dos fases diferentes, una de ellas fundida con carbonatos, fosfatos, tungstatos y silicatos y otra fase sólida con óxidos relativamente raros en la tierra.

Fue en esa misma década cuando el “Institute of Gas technology” empezó su estudio en las Pilas de Combustible de carbonatos fundidos, demostrando su capacidad de generar energía eléctrica a alta temperatura.

3

Pilas de combustible de carbonato fundido (MCFC)

Pilas de combustible de carbonato fundido (MCFC)

La Pila de Combustible de carbonatos fundidos utiliza una sal de carbonato fundido como electrolito. El carbonato fundido que usualmente se utiliza como electrolito es una mezcla de carbonatos de litio y potasio (Li2CO3/K2CO3) o de litio y sodio (Li2CO3/Na2CO3) embebido en una matriz cerámica.

Este electrolito está contenido en una matriz cerámica porosa e inerte, normalmente LiAlO2. La matriz cerámica puede estar soportada con fibras de alúmina, Al2O3, para mantener la estabilidad mecánica. El sodio estabiliza el electrolito y le confiere una mayor durabilidad. Puesto que los iones carbonato (CO3

2-) son transportados desde el cátodo hacia el ánodo a través del electrolito, es necesario un aporte de CO2 junto con el oxígeno del cátodo.

Su temperatura de operación está en torno a los 650 ºC, a la cual esta sal es líquida y se comporta como un buen conductor iónico. A altas temperaturas los carbonatos alcalinos forman una sal fundida altamente conductora, siendo los iones carbonato los que proporcionan la conductividad iónica. Para mantener esta temperatura, se necesita un gran volumen de aire que circula para evacuar el calor del cátodo. Esta temperatura sirve también para poder operar directamente con gases carbonatados como el gas natural, ya que posibilitan el reformado interno.

Debido a las altas temperaturas de operación la cinética catódica aumenta drásticamente en comparación con la de los cátodos de PEMFC y PAFC, de manera que no es necesario utilizar metales preciosos como catalizadores. El cátodo está constituido normalmente por un óxido de níquel, aunque también se han investigado óxidos de litio. En el caso del ánodo se utiliza níquel-aluminio o níquel-cromo, para prevenir aglomeraciones.

Según la temperatura va aumentando, la tensión teórica de operación de la Pila de Combustible disminuye, al igual que su eficiencia. Por otro lado, al aumentar la temperatura incrementa la velocidad de reacción electroquímica, y por lo tanto la corriente entregada para una tensión fija. En comparación con otras tecnologías, una MCFC es capaz de operar a tensiones más altas que una PAFC para la misma densidad de corriente. Por todo ello, teóricamente, una MCFC debería ser para la misma potencia más pequeña y más barata que una PAFC con las mismas características.

A continuación se muestran las reacciones que tienen lugar en los electrodos y la total:

Oxidación anódica del hidrógeno:

H2 + (CO3)2-   H2O + CO2 + 2e-

Reducción catódica del oxígeno:

4

Pilas de combustible de carbonato fundido (MCFC)

CO2 + ½O2 + 2e-   (CO3)2- 

Reacción total en la MCFC:

H2 + ½O2   H2O

La reacción anódica ocurre entre el hidrógeno y los iones carbonato (CO3-) del electrolito, lo que da como productos CO2 y agua, además de liberar electrones. La reacción catódica combina el oxígeno, el CO2 y los electrones que han circulado por el circuito externo, produciendo otra vez iones carbonato que se unen al electrolito. Existe pues una necesidad de CO2 en el oxidante, por lo que hay que dotar estas pilas con un sistema de captación de CO2 para su funcionamiento.

La necesidad de CO2 en el flujo oxidante, requiere que el CO2 se recolecte en el ánodo y se mezcle con la entrada de aire. Antes de esto, cualquier hidrógeno residual no consumido del combustible de entrada debe ser quemado. En sistemas futuros se podrá intentar incorporar membranas selectivas para eliminar el hidrógeno del flujo de aire recirculado.

La Pila de Combustible de Carbonatos Fundidos produce también energía térmica en el proceso, el calor residual generado posee una temperatura suficientemente alta como para mover una turbina de gas y producir un vapor de alta presión que pueda ser utilizado en una turbina de vapor o para cogeneración de calor y potencia. A causa del aprovechamiento del calor residual el sistema puede alcanzar una eficiencia de hasta el 80%, con una eficiencia de la pila de combustible por encima del 50%.

En contraste con las pilas de combustible de baja temperatura, las MCFC no tienen dificultades con el CO2 y el CO presentes en el combustible. Sin embargo, la baja tolerancia a los sulfuros del catalizador del reformador puede constituir un problema. Todos los combustibles fósiles contienen algo de azufre, y debido a las relativamente bajas temperaturas de reformado éste envenena el catalizador. Otro inconveniente es la degradación de los materiales debido a la alta temperatura de trabajo junto con la acción corrosiva del electrolito. Así pues, en la selección de los materiales influye la resistencia química, la estanqueidad y la expansión térmica de los mismos. Es por eso que se utilizan aceros inoxidables especiales basados en Ni, Co, Fe o Cr/Al, los cuales cumplen con los requerimientos anteriores.   Otro de los inconvenientes de la MCFC es la necesidad de mantener la temperatura constante, ya que una caida de 30 ºC reduce la tensión de salida en un 15% aproximadamente, dado al incremento de resistencia iónica y eléctrica de los electrodos.

Las MCFC han sido desarrolladas para plantas que utilizan gas natural y carbón, desde algunos cientos de kW hasta varios MW. Compañías como MTU Friedrichshafen, Fuel Cell Energy (antiguamente Energy Research Corporation) y algunas compañías japonesas (Hitachi, IHI y Mitsubishi Electric) han desarrollado ya algunos prototipos.

5

Pilas de combustible de carbonato fundido (MCFC)

Ventajas y desventajas

Ventajas de las pilas MCFC:

no se necesitan electrocatalizadores caros, gracias a la elevada temperatura de trabajo.

Alta eficacia

Aprovechamiento calor en turbinas de gas y vapor para aumentar

las eficiencias.

No hay envenenamiento de ánodos por CO

Posibilidad de emplear otros combustibles (Gas natural, gas de síntesis, biogás, etc.)

Desventajas de las pilas MCFC:

electrolito muy corrosivo y móvil que exige usar materiales caros como ‘hardware’ de la pila.

la alta temperatura potencia problemas con los materiales.

la elevada resistencia interna limita la densidad de potencia.

Electrolito inestable y corrosivo

Electrodo inestable y frágiles

Altas temperaturas de operación

Elevado Costo

6

Pilas de combustible de carbonato fundido (MCFC)

Conclusiones

Se comprendió el funcionamiento de las pilas de combustible de carbonatos fundidos.

Se analizaron las reacciones químicas que se llevan a cabo en una MCFC.

Se comprendieron las ventajas y las desventajas que estas pilas de combustible tienen en comparación con otras pilas de combustible.

La investigación y el conocimiento obtenido fue satisfactorio.

Referencias

APPICE. PILAS DE COMBUSTIBLE DE CARBONATOS FUNDIDOS (Molten

Carbonate Fuel Cell o MCFC). Consultada el 19/01/14. Disponible en: http://www.appice.es/esp/2/2_5.htm

Corpyright Fuel Cell Norway ANS. Pilas de combustible de carbanato fundido- MCFC. Consulatado el 19/01/14 [en línea], disponible en: http://www.fuelcell.no/fuel_cell_types_mcfc_es.htm

Universidad de Madrid. Pilas de combustible. [En línea, pdf]. Consultado el 19/01/14.