Tabla de contenidosexpand_more
- ¿Qué es una pila de combustible de óxido sólido (SOFC)?
- ¿Por qué es importante en la industria del hidrógeno y las pilas de combustible?
- ¿Cuáles son las principales características de una pila de combustible de óxido sólido (SOFC)?
- ¿Qué especificaciones deben buscar los compradores?
- ¿Cómo funcionan las pilas de combustible de óxido sólido?
- ¿Cuáles son los componentes principales que intervienen en su funcionamiento?
- ¿Cuáles son los diferentes tipos de pilas de combustible de óxido sólido disponibles?
- ¿Cuáles son las ventajas y desventajas de cada tipo?
- ¿Cuáles son las aplicaciones típicas de las pilas de combustible de óxido sólido en la industria del hidrógeno y de las pilas de combustible?
- ¿Cómo se mide el rendimiento de las pilas de combustible de óxido sólido?
- ¿Qué factores afectan a la eficiencia y la fiabilidad?
- ¿Qué normas de seguridad y certificaciones deben cumplir las pilas de combustible de óxido sólido?
- ¿Cuáles son las últimas tendencias e innovaciones en relación con las pilas de combustible de óxido sólido?
- ¿Qué deberían tener en cuenta los compradores al elegir pilas de combustible de óxido sólido?
- ¿Qué errores comunes deben evitarse?
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¿Qué es una pila de combustible de óxido sólido (SOFC)?
Las pilas de combustible son dispositivos electroquímicos que convierten directamente la energía química de los combustibles en energía eléctrica, lo que permite generar electricidad con gran eficiencia y bajo impacto ambiental. Las pilas de combustible se parecen mucho a los electrolizadores. Las pilas de combustible de óxido sólido (SOFC) son dispositivos prometedores de generación de energía limpia y eficiente. A diferencia de las pilas de combustible de baja temperatura, las SOFC pueden funcionar con diversos combustibles alternativos como H2, CO, CH4, CO2 & H2O. Las pilas de combustible de óxido sólido (SOFC) tienen un electrolito que es un óxido metálico sólido no poroso, normalmente ZrO2 estabilizado con Y2O3. La pila funciona a 600-1000 °C donde tiene lugar la conducción iónica por iones de oxígeno. No hay electrolito líquido, con los consiguientes problemas de corrosión del material o de gestión del electrolito. El electrolito sólido también permite una ingeniería precisa del límite trifásico y evita el movimiento o la inundación del electrolito en los electrodos. La alta temperatura de funcionamiento permite utilizar la mayor parte del calor residual para la cogeneración o en ciclos de fondo.
¿Por qué es importante en la industria del hidrógeno y de las pilas de combustible?
El hidrógeno puede producirse a partir de diversos recursos nacionales con un potencial de emisiones de gases de efecto invernadero cercano a cero. Las pilas de combustible destacan por su versatilidad, ya que pueden alimentar desde grandes centrales eléctricas hasta pequeños dispositivos como ordenadores portátiles. Las pilas de combustible de hidrógeno son muy eficientes y fiables, y minimizan el derroche de energía. Un átomo de hidrógeno está compuesto por un solo protón y un electrón, sin neutrones en su núcleo. Para generar electricidad, el protón y el electrón deben separarse, un proceso que puede llevar a cabo una pila de combustible. Como combustible descarbonizado, el hidrógeno no produce dióxido de carbono ni otros contaminantes nocivos. Cuando se utiliza hidrógeno como combustible, los únicos subproductos son electricidad, agua y calor.
En la industria del hidrógeno y las pilas de combustible, las pilas de combustible de óxido sólido (SOFC) son cruciales porque pueden generar electricidad de forma eficiente directamente a partir del hidrógeno, produciendo sólo vapor de agua como subproducto, lo que las convierte en una tecnología clave para la generación de energía limpia y sostenible con emisiones mínimas, especialmente cuando se combinan con fuentes de hidrógeno renovables, su capacidad para funcionar con diversos combustibles como el gas natural, con el potencial de transición completa al hidrógeno a medida que se desarrolle la infraestructura, las convierte en un componente valioso en la transición hacia un sistema energético descarbonizado. Su crecimiento es prometedor tanto en el sector de la energía estacionaria como en el del transporte. Además, sus elevadas temperaturas de funcionamiento permiten la cogeneración de electricidad y calor; también pueden alcanzar de dos a tres veces la eficiencia de las tecnologías de combustión convencionales, mejorando aún más la eficiencia energética global.
La combustión de hidrógeno es una de las tecnologías más eficientes del mundo
¿Cuáles son las principales características de una pila de combustible de óxido sólido (SOFC)?
- Alta eficiencia de conversión de energía
- Estabilidad a largo plazo
- Flexibilidad de combustible
- Bajas emisiones
- Seguridad medioambiental
- Produce hidrógeno de gran pureza a partir de vapor
- Coste relativamente bajo
- Posibilidad de recuperar el calor de escape
¿Qué especificaciones deben buscar los compradores?
- Temperatura de funcionamiento: Normalmente, entre 600-800°C. Las temperaturas más bajas reducen la tensión del material y prolongan la vida útil.
- Potencia de salida: Desde unos pocos kilovatios (kW) para uso residencial hasta megavatios (MW) para aplicaciones industriales.
- Índice de eficiencia: Busque índices de eficiencia más altos, especialmente en aplicaciones de cogeneración.
- Modularidad: Puede añadir más pilas de combustible al sistema general según sus necesidades.
- Compatibilidad del combustible: Asegúrese de que la SOFC es compatible con el tipo de combustible previsto.
- Durabilidad y vida útil: Compruebe las horas de funcionamiento previstas y los intervalos de mantenimiento y debe tener una larga vida útil de 40.000-80.000 horas.
- Coste: Los costes iniciales y operativos son los principales factores, e incluyen el coste total de propiedad, la instalación, el mantenimiento y el coste del combustible.
- Certificación: CE
¿Cómo funcionan las pilas de combustible de óxido sólido?
- Introducción del combustible: El proceso comienza con la introducción de un combustible, como hidrógeno, gas natural o gas de síntesis, en el lado del ánodo de la pila de combustible. El ánodo sirve como el sitio donde el combustible reacciona con los iones de oxígeno para producir electricidad.
- Conducción de iones de oxígeno: En el lado del cátodo de la pila, el oxígeno del aire se reduce (gana electrones) y se convierte en iones de oxígeno (O²-). Estos iones de oxígeno migran a través del electrolito de óxido sólido hacia el ánodo. El electrolito de una SOFC suele estar hecho de un material cerámico como la zirconia estabilizada con itria (YSZ), que permite que estos iones de oxígeno se muevan al tiempo que impide el paso de electrones.
- Reacción electroquímica en el ánodo: En el ánodo, el combustible reacciona con los iones de oxígeno que han viajado a través del electrolito. Para el hidrógeno como combustible, la reacción puede resumirse de la siguiente manera:
H2+O2−→H2O+2e−
Esta reacción produce agua como subproducto, libera electrones y genera calor.
Para los combustibles de hidrocarburos (como el gas natural), la reacción es más compleja y produce dióxido de carbono y agua como subproductos:
CH4+4O2−→CO2+2H2O+8e−
- Flujo de electrones y generación de electricidad: Los electrones producidos en el ánodo no pueden atravesar el electrolito y se ven obligados a viajar por un circuito externo, creando una corriente eléctrica. Este flujo de electrones a través del circuito externo es lo que genera la electricidad utilizable.
- Gases de escape y calor: Los subproductos de las reacciones electroquímicas, como el vapor de agua (del combustible hidrógeno) o el vapor de agua y el dióxido de carbono (de los combustibles hidrocarburos), se expulsan por el lado del ánodo en forma de gases de escape. Además, la elevada temperatura de funcionamiento de la SOFC genera un calor significativo, que puede aprovecharse para aplicaciones de cogeneración, mejorando la eficiencia global del sistema.
- Integración del sistema y configuración de la pila: Para producir una cantidad práctica de energía, se conectan varias SOFC en serie o en paralelo para formar una pila. Cada célula de la pila contribuye a la tensión o corriente total, dependiendo de la configuración, lo que permite escalar el sistema para diferentes requisitos de potencia.
- Gestión térmica y eficiencia del sistema: Los sistemas SOFC suelen incorporar estrategias de gestión térmica para aprovechar el calor generado durante el funcionamiento. Este calor puede utilizarse en sistemas de producción combinada de calor y electricidad (CHP) para proporcionar calefacción a edificios o procesos industriales, mejorando significativamente la eficiencia global del proceso de conversión de energía.
¿Cuáles son los principales componentes que intervienen en su funcionamiento?
The major components of an individual SOFC cell include the electrolyte, the cathode, and the anode. Fuel cell stacks contain an electrical interconnect, which links individual cells together in series or parallel.
- Electrolito: El electrolito es una capa densa de cerámica que conduce iones de oxígeno. Su conductividad electrónica debe mantenerse lo más baja posible para evitar pérdidas por corrientes de fuga. Los materiales de electrolito más utilizados son la circona estabilizada con itria (YSZ), la circona estabilizada con escandia (ScSZ) y la ceria dopada con gadolinio (GDC). El material del electrolito influye decisivamente en el rendimiento de la célula).
- Ánodo: El material del ánodo para la SOFC es el compuesto de partículas de níquel y YSZ podría proporcionar un ánodo estable y altamente activo. La capa cerámica del ánodo debe ser muy porosa para permitir que el combustible fluya hacia el electrolito. El ánodo suele ser la capa más gruesa y resistente de cada célula, porque tiene las menores pérdidas de polarización, y suele ser la capa que proporciona el soporte mecánico. La función del ánodo es utilizar los iones de oxígeno que se difunden a través del electrolito para oxidar el hidrógeno combustible. La reacción de oxidación entre los iones de oxígeno y el hidrógeno produce calor, así como agua y electricidad.
- Cátodo: El cátodo, o electrodo de aire, es una capa fina y porosa sobre el electrolito donde tiene lugar la reducción del oxígeno. Los materiales catódicos deben ser, como mínimo, conductores electrónicos. En la actualidad, la manganita de lantano y estroncio (LSM) es el material catódico preferido para uso comercial por su compatibilidad con los electrolitos de circonio dopado. Por desgracia, la LSM es un mal conductor iónico, por lo que la reacción electroquímicamente activa se limita al límite de la triple fase (TPB). Para aumentar la zona de reacción más allá del TPB, un material catódico potencial debe ser capaz de conducir tanto electrones como iones de oxígeno. Se han utilizado cátodos compuestos de LSM YSZ para aumentar la longitud de este límite de triple fase. Las perovskitas se utilizan para las IT-SOFC porque son más activas y pueden compensar el aumento de la energía de activación de la reacción.
- Interconexiones: La interconexión puede ser una capa metálica o cerámica que se coloca entre cada célula. Su propósito es conectar cada célula en serie, de modo que la electricidad generada por cada una de ellas pueda combinarse. Dado que la interconexión está expuesta tanto al lado oxidante como al reductor de la célula a altas temperaturas, debe ser extremadamente estable. Por esta razón, la cerámica ha tenido más éxito a largo plazo que los metales como materiales de interconexión, ya que la cerámica ha demostrado estabilidad térmica a altas temperaturas y una excelente conductividad eléctrica.
¿Cuáles son los diferentes tipos de pilas de combustible de óxido sólido disponibles?
Las configuraciones principales para apilar las células con el fin de aumentar la tensión y la potencia son
- Tubular: Consiste en un tubo de soporte tubular, que cubre con cátodo, electrolito, ánodo e interconexión.
- Tubular sin sello: El oxidante se introduce por el centro del tubo soporte, mientras que el combustible fluye por el exterior del mismo.
- Células segmentadas: Similar al diseño tubular sin sello, en este caso el combustible se introduce por el centro del tubo de soporte, mientras que el oxidante fluye por el exterior del tubo de soporte.
- Placa Plana o Planar: En este diseño se utiliza la placa cerámica plana multicapa compuesta por ánodo, electrolito y cátodo. Esta placa cerámica plana multicapa está cubierta con placas de interconexión, que tienen pequeños canales de flujo de gas para el combustible y el oxidante.
- Monolítica: Este diseño de SOFC es como el diseño de intercambiador de calor de carcasa y tubos, ya que utiliza componentes de celda delgados incluyendo ánodo, electrolito, cátodo e interconexión en una estructura corrugada compacta. Tiene 2 configuraciones diferentes Co-flujo de gas y Flujo cruzado de gas.
¿Cuáles son las ventajas y desventajas de cada tipo?
Combustibles SOFC tubulares:
- Ventajas: La eliminación del problema del cierre hermético al gas.
- Desventajas: La resistencia interna de la célula y la limitación de difusión de gas.
Las SOFC planares:
- Ventajas: Mayor nivel de rendimiento que las SOFC tubulares, Fabricación más sencilla &bajo coste
- Desventajas: Sellado inestable, escasa estabilidad a los ciclos térmicos & coste de producción relativamente alto.
Monolítico:
- Ventajas: El diseño es de celdas compactas, estructuras corrugadas autoportantes y componentes celulares delgados.
- Desventajas: Cualquier diferencia en los coeficientes de dilatación térmica puede provocar el agrietamiento de las células.
¿Cuáles son las aplicaciones típicas de las pilas de combustible de óxido sólido en la industria del hidrógeno y las pilas de combustible?
- Calor y energía combinados con SOFC:Las pilas de combustible de óxido sólido funcionan a temperaturas elevadas, normalmente entre 750-1000ᵒC, lo que da lugar a la producción de calor a alta temperatura como subproducto, además de energía eléctrica. El calor útil de la SOFC suele utilizarse en unidades que requieren energía, es decir, precalentadores y reformadores, para precalentar corrientes de refrigeración o para generar vapor y agua caliente.
- Trigeneración con SOFC: La trigeneración, definida como combinación de refrigeración, calefacción y electricidad (CCHP), es actualmente una tecnología prometedora para la producción de energía eficiente y limpia. Utiliza de la mejor manera posible la energía química del combustible utilizado para generar electricidad y calor a partir de los gases de escape. Simultáneamente, puede generarse refrigeración por absorción o desecante, con lo que se reduce el uso de electricidad en una unidad de aire acondicionado tradicional.
- Sistema de alimentación combinado de turbina de gas (GT) con SOFC: Un sistema híbrido integrado de pila de combustible y turbina de gas tiene una mayor eficiencia de conversión energética, una baja contaminación ambiental y la posibilidad de utilizar fuentes de energía renovables como combustible. Hay dos formas diferentes de relacionar las turbinas de gas con las SOFC: mediante integración indirecta o directa.
- Sistemas de generación de energía: La tecnología SOFC se ha desarrollado para un amplio espectro de aplicaciones de generación de energía. Los sistemas de SOFC que se han considerado van desde dispositivos portátiles (p. ej., cargadores de baterías de 500 W), sistemas de pequeña potencia (p. ej., potencia residencial de 5 kW o unidades auxiliares de potencia para automóviles) hasta centrales eléctricas de generación distribuida (p. ej., sistemas de 100-500 kW). Las SOFC también pueden integrarse con una turbina de gas para formar grandes sistemas híbridos presurizados (de varios cientos de kW a varios MW).
¿Cómo se mide el rendimiento de las pilas de combustible de óxido sólido?
- Rendimiento eléctrico: Relación entre la producción eléctrica y la energía aportada por el combustible.
- Rendimiento térmico: En aplicaciones de cogeneración, la eficiencia que incluye la producción de calor útil.
- Tasa de degradación: La velocidad a la que el rendimiento de la SOFC se degrada con el tiempo, normalmente medida en milivoltios por 1000 horas.
- Ignorar las condiciones de funcionamiento: Las temperaturas de funcionamiento elevadas pueden mejorar la eficiencia, pero también exigen una cuidadosa consideración de los materiales elegidos y del diseño del sistema para evitar la degradación.
- No evaluar la durabilidad: La vida útil y los índices de degradación deben ser parámetros de atención durante el proceso de evaluación.
- Comprometerse con las normas de seguridad: es un error crítico No hacerlo puede acarrear problemas legales y situaciones potencialmente peligrosas durante el funcionamiento.
¿Qué factores afectan a la eficiencia y la fiabilidad?
- Selección de materiales: Los materiales utilizados para el ánodo, el cátodo, el electrolito y las interconexiones tienen un impacto significativo tanto en la eficiencia como en la fiabilidad de las SOFC.
- Condiciones de funcionamiento: Las SOFC funcionan eficazmente a altas temperaturas, normalmente entre 600 °C y 1.000 °C, lo que mejora la conductividad iónica pero también puede provocar inestabilidad mecánica y problemas de ciclado térmico.
- Ciclado térmico: Los efectos de los ciclos térmicos, asociados a las fases de calentamiento y enfriamiento durante el funcionamiento, pueden provocar tensiones mecánicas sustanciales y degradación en los componentes de las SOFC.
- Calidad del combustible: La calidad del combustible suministrado a la SOFC puede afectar significativamente a su eficiencia y fiabilidad. Las impurezas, como los compuestos de azufre, pueden envenenar los catalizadores, lo que reduce la eficacia operativa; los combustibles de menor calidad contribuyen a aumentar los costes operativos y los problemas de mantenimiento.
- Configuración del diseño: Los distintos diseños de chimeneas, incluidas las configuraciones planas y tubulares, presentan ventajas y desafíos únicos que afectan al rendimiento general.
- Propiedades mecánicas: Las propiedades mecánicas de los componentes de las SOFC, incluida su resistencia a los choques térmicos y su capacidad para soportar tensiones operativas, son fundamentales para mantener la fiabilidad.
¿Qué normas y certificaciones de seguridad deben cumplir las pilas de combustible de óxido sólido?
- ISO 9001: Normas de gestión de la calidad.
- ISO 14001: Normas de gestión medioambiental.
- IEC 62282: Normas internacionales para tecnologías de pilas de combustible.
- ISO 26142: Aparatos de detección de hidrógeno.
- Certificación UL: Certificación de seguridad para componentes y sistemas.
- ISO 15649: Tuberías para las industrias del petróleo y el gas natural.
- ASME B31.12: Código de tuberías y conducciones de hidrógeno.
- NFPA 2: Código de tecnologías del hidrógeno.
- NFPA 853: Norma para la instalación de sistemas de alimentación de pilas de combustible estacionarios.
¿Cuáles son las últimas tendencias e innovaciones relacionadas con las pilas de combustible de óxido sólido?
- Temperaturas de funcionamiento más bajas: La investigación se centra en reducir la temperatura de funcionamiento para alargar la vida útil y reducir costes.
- Mejoras en la flexibilidad del combustible: Desarrollo de SOFC que puedan funcionar eficientemente con una gama más amplia de combustibles, incluidas las opciones renovables.
- Integración con fuentes de energía renovables: Innovaciones en sistemas híbridos que combinan las SOFC con energías renovables para mejorar la eficiencia y la sostenibilidad.
- Diseños modulares: Los avances en los sistemas modulares de SOFC facilitan el escalado y la integración en diferentes aplicaciones.
¿Qué deben tener en cuenta los compradores al elegir pilas de combustible de óxido sólido?
- Requisitos de la aplicación: Comprenda las necesidades específicas de potencia y calor de su aplicación.
- Disponibilidad de combustible: Asegúrese de que la SOFC es compatible con los tipos de combustible disponibles.
- Necesidades de mantenimiento: Considere los costes operativos y de mantenimiento a lo largo de la vida útil de la SOFC.
- Coste inicial frente a eficiencia a largo plazo: Sopesar los costes iniciales frente al ahorro potencial derivado de la alta eficiencia y las bajas emisiones.
- Gestión del calor: Funciona a altas temperaturas, así que asegúrese de que dispone de un método fiable para gestionar y disipar el calor.
- Supervisión y control: Asegúrese de que el sistema de SOFC incluye o admite sistemas de supervisión y control adecuados para un funcionamiento óptimo y la resolución de problemas.
¿Qué errores comunes deben evitarse?
- Ignorar la calidad del combustible: Utilizar combustible de mala calidad puede provocar una rápida degradación.
- Pasar por alto las características de seguridad: Asegúrese de contar con todas las características y certificaciones de seguridad necesarias.
- Centrarse sólo en el coste: Aunque el precio es importante, tenga en cuenta los beneficios a largo plazo de la eficiencia, la durabilidad y la reducción de las emisiones.
- No tener en cuenta la gestión del calor: Las SOFC funcionan a altas temperaturas y la gestión del calor que producen es crucial para la eficiencia y la longevidad del sistema.
- Descuidar el cumplimiento de la normativa y la seguridad: Asegúrese de que el sistema de SOFC cumple la normativa y las normas de seguridad de su región.
- Subestimar las necesidades de mantenimiento: Las SOFC pueden requerir un mantenimiento especializado. Comprenda los requisitos de mantenimiento y asegúrese de tener acceso a la experiencia y las piezas de repuesto necesarias.
- Ignorar la escalabilidad: Si prevé futuras ampliaciones o cambios en las necesidades energéticas, elija un sistema que pueda ampliarse o modificarse en consecuencia.