Avances en una tecnología de pila de combustible impulsada por carbono sólido podrían hacer que la generación de electricidad a partir de carbón y biomasa sea más limpia y más eficiente.
El diseño de esta pila de combustible, diseñada en el Idaho National Laboratory (INL), incorpora innovaciones en tres componentes: el ánodo, el electrolito y el combustible. Juntos, estos avances permiten que la pila de combustible utilice aproximadamente tres veces más carbono que los diseños anteriores de pila de combustible de carbono (DCFC).
Estas pilas de combustible también operan a temperaturas más bajas y mostraron densidades de potencia máximas más altas que las DCFC anteriores, según el ingeniero de materiales de INL, Dong Ding. Los resultados aparecen en la edición de esta semana de la revista Advanced Materials.
Mientras que las pilas de combustible de hidrógeno (como las de membrana de intercambio de protones (PEM) y otras pilas de combustible) generan electricidad a partir de la reacción química entre hidrógeno puro y oxígeno, los DCFC pueden utilizar cualquier cantidad de recursos de carbono como combustible, incluidos carbón, coque, alquitrán, biomasa y desechos orgánicos.
Debido a que los DCFC hacen uso de combustibles fácilmente disponibles, son potencialmente más eficientes que las células de combustible de hidrógeno convencionales. «Puedes saltarte el paso intensivo de energía de producir hidrógeno», dijo Ding.
Pero los diseños anteriores de DCFC tienen varios inconvenientes: requieren altas temperaturas, de 700 a 900 grados Celsius, lo que los hace menos eficientes y menos duraderos. Además, como consecuencia de esas altas temperaturas, normalmente están construidas con materiales costosos que puedan soportar el calor.
Además, los primeros diseños de DCFC no son capaces de utilizar efectivamente el combustible de carbono.
Ding y sus colegas abordaron estos desafíos mediante el diseño de una verdadera pila de combustible de carbono directo que es capaz de operar a temperaturas más bajas, por debajo de 600 grados centígrados. La pila de combustible hace uso de carbono sólido, que está finamente molido y se inyecta a través de una corriente de aire en la pila. Los investigadores abordaron la necesidad de altas temperaturas mediante el desarrollo de un electrolito utilizando materiales altamente conductivos dopados con óxido de cerio y carbonato. Estos materiales mantienen su rendimiento a temperaturas más bajas.
A continuación, aumentaron la utilización de carbono mediante el desarrollo de un diseño de ánodo textil cerámico 3-D que entrelaza haces de fibras como un trozo de tela. Las fibras en sí son huecas y porosas. Todas estas características se combinan para maximizar la cantidad de superficie disponible para una reacción química con el combustible de carbono.
Finalmente, los investigadores desarrollaron un combustible compuesto hecho de carbono sólido y carbonato. «A la temperatura de funcionamiento, ese compuesto es fluídico», dijo Ding. «Puede fluir fácilmente en la interfaz».
El carbonato fundido transporta el carbón sólido hacia las fibras huecas y los poros del ánodo, aumentando la densidad de potencia de la pila de combustible. La pila de combustible resultante se ve como una pila de reloj de cerámica verde que es aproximadamente tan gruesa como una hoja de cartulina. Un cuadrado más grande es de 10 centímetros en cada lado. Las pilas de combustible se pueden apilar unas encima de otras dependiendo de la aplicación.
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