Análisis completo de la pila de combustible: comparación y perspectivas
La pila de combustible funciona de forma continua con poca contaminación. La producción de energía eléctrica por unidad de peso de la pila de combustible es grande, y la potencia de salida por unidad de peso es grande. Este artículo presentará el principio de funcionamiento y la clasificación de la pila de combustible, y analizará las características y la comparación de la pila de combustible y la batería de iones de litio.
Cómo funciona la pila de combustible
La pila de combustible contiene dos electrodos, positivo y negativo, que están llenos de electrolito respectivamente, y el espacio entre ambos electrodos está compuesto por una membrana permeable. El hidrógeno entra en el combustible por el ánodo y el oxígeno (o aire) entra en la pila por el cátodo. Mediante la acción del catalizador, los átomos de hidrógeno del ánodo se descomponen en protones de hidrógeno y electrones.
Entre ellos, los protones entran en el electrolito, son "atraídos" por el oxígeno hacia el otro lado de la película, los electrones forman una corriente a través de un circuito externo y llegan al cátodo. Bajo la acción del catalizador catódico, los protones de hidrógeno, el oxígeno y los electrones reaccionan para formar moléculas de agua. Esto es exactamente lo contrario de la electrólisis del agua, por lo que el agua es la única emisión de la pila de combustible. Utilizando este principio, la pila de combustible puede transmitir continuamente electricidad al exterior cuando está funcionando, y es una especie de "generador".
Tipos de pilas de combustible
Según el electrolito de la pila de combustible
1.Pila de combustible alcalina (AFC): La pila de combustible alcalina tiene un alto rendimiento y su desarrollo está muy maduro, pero sus condiciones de trabajo requieren el aislamiento del CO2, y sus campos de aplicación se concentran principalmente en el sector aeroespacial.
2.Pila de combustible de ácido fosfórico (PAFC): La tecnología de pila de combustible de ácido fosfórico se denomina pila de combustible de primera generación, que es la más parecida a la pila de combustible comercial, pero la pila de combustible de ácido fosfórico necesita utilizar un catalizador de platino de metal precioso, el coste es elevado, y su trabajo La temperatura no es lo suficientemente alta, y el valor de utilización del calor residual es bajo.
3.Pila de combustible de carbonato fundido (MCFC): La pila de combustible de carbonato fundido se denomina pila de combustible de segunda generación. Debido a su elevada temperatura de funcionamiento, los requisitos de los materiales de la pila también son altos.
4. Pila de combustible de óxido sólido (SOFC): La pila de combustible de óxido sólido se denomina pila de combustible de tercera generación. Tiene un alto rendimiento de trabajo y se considera la más adecuada para la cogeneración con un buen rendimiento. Debido a su alta temperatura de funcionamiento, los requisitos para los materiales de la pila también son elevados. En comparación con la pila de combustible de membrana de intercambio protónico (PEMFC), sus ventajas únicas son más evidentes, como la no utilización de catalizadores de metales nobles, una mayor selectividad del combustible, una elevada temperatura del calor residual y una alta eficiencia de generación de energía.
5. Pila de combustible de membrana de intercambio protónico (PEMFC): La tecnología de las pilas de combustible de membrana de intercambio protónico se ha desarrollado rápidamente. Utiliza una membrana polimérica más fina como electrolito, que tiene una alta potencia específica y una baja temperatura de funcionamiento. Es especialmente adecuada como fuente de alimentación portátil y para vehículos de nueva energía. Sin embargo, el principal problema actual es que su coste es demasiado elevado.
La pila de combustible de metanol directa (DMFC) es un tipo de pila de combustible de membrana de intercambio protónico. La DMFC, que aún se encuentra en fase de desarrollo, utiliza una membrana de ácido perfluorosulfónico como electrolito, y su temperatura de trabajo oscila entre la temperatura ambiente y los 200°C. Se utiliza para el suministro eléctrico de micromóviles.
| Tipo de pila de combustible | AFC | PAFC | PEMFC | MCFC | SOFC |
|---|---|---|---|---|---|
| Electrolito | Solución de hidróxido de potasio | Ácido fosfórico | Membrana permeable a protones | Carbonato de potasio | Óxido sólido |
| Combustible | Hidrógeno puro | Gas natural, hidrógeno | Hidrógeno, metanol, gas natural | Gas natural, gas de hulla, biogás | Gas natural, gas de hulla, biogás |
| Oxidante | Hidrógeno puro | Aire | Aire | Aire | Aire |
| Eficacia | 60%~90% | 37%~42% | 43%~58% | 50%~60% | 50%~65% |
| Temperatura de trabajo | 60~120 | 160~220 | 60~120 | 600~1000 | 600~1000 |
Según el mecanismo de funcionamiento de la pila de combustible
● Pila de combustible ácida
● Pila de combustible alcalina
Según el tipo de combustible
● Pila de combustible de hidrógeno
● Pila de combustible de metano
● Pila de combustible de metanol
● Pila de combustible de etanol
En cuanto a las pilas de combustible, también hemos clasificado las 10 mejores fabricantes de pilas de combustible en China para su referencia.
Qué combustibles pueden utilizarse en las pilas de combustible
Las pilas de combustible pueden utilizar con flexibilidad varios tipos de combustibles. Aunque el hidrógeno es la fuente de combustible más común (de ahí el nombre coloquial de pila de combustible de hidrógeno), también son viables los combustibles ricos en hidrógeno, como el gas natural y el amoníaco.
Hidrógeno: Cuando el hidrógeno se produce utilizando electricidad renovable como la solar, la eólica y la hidroeléctrica, el proceso de producción puede ser completamente neutro en carbono. Las pilas de combustible de hidrógeno, que utilizan hidrógeno como combustible, generan electricidad, calor y agua sin emitir dióxido de carbono ni otros contaminantes a la atmósfera.
Gas natural: Dado que el hidrógeno verde aún no se ha producido en masa, el gas natural sigue siendo la principal fuente de producción de hidrógeno. En este caso, la pila de combustible no está completamente libre de emisiones, pero sí emite muchas menos que otros combustibles como el petróleo y el carbón.
Amoníaco: El amoníaco se utiliza principalmente como fertilizante en la agricultura. En los últimos años, algunas empresas se han dedicado al desarrollo de amoniaco verde, que puede impulsarse mediante electrólisis del agua para producir hidrógeno a través de fuentes de energía alternativas, lo que lo convierte en un combustible alternativo con bajas emisiones de carbono.
Características y rendimiento de la pila de combustible
1.Alta eficiencia de generación de energía
La generación de energía con pilas de combustible no está limitada por el ciclo de Carnot. En teoría, su eficiencia de generación de energía puede alcanzar de 85% a 90%. Sin embargo, debido a las limitaciones de varias polarizaciones durante el trabajo, la eficiencia actual de conversión de energía de la pila de combustible es de unos 40% a 60%. Si se realiza la cogeneración de calor y electricidad, la tasa de utilización total del combustible puede llegar a 80%.
2.Menos contaminación ambiental
Cuando la pila de combustible utiliza como combustible gas rico en hidrógeno, como el gas natural, la emisión de dióxido de carbono se reduce en más de 40% en comparación con el proceso del motor térmico, lo que es muy importante para paliar el efecto del calentamiento global.
Además, como el gas combustible de la pila de combustible debe desulfurarse antes de la reacción, y la electricidad se genera según el principio electroquímico, no hay proceso de combustión a alta temperatura, por lo que casi no se emiten óxidos de nitrógeno y azufre, lo que reduce la contaminación de la atmósfera.
3. Alta energía específica
La energía específica de la pila de combustible de hidrógeno líquido es 800 veces superior a la de la batería de níquel-cadmio, y la energía específica de la pila de combustible de metanol directo es más de 10 veces superior a la de la batería de iones de litio (la batería recargable con mayor densidad energética). En la actualidad, aunque la energía específica real de la pila de combustible es sólo 10% del valor teórico, sigue siendo muy superior a la energía específica real de la batería general.
4.Poco ruido
La pila de combustible tiene una estructura sencilla, pocas piezas móviles y un bajo nivel de ruido durante su funcionamiento. Incluso cerca de una central de pilas de combustible de 11 MW, el ruido medido es inferior a 55 dB.
En el caso de la pila de combustible, siempre que se puedan utilizar como combustibles sustancias que contengan átomos de hidrógeno, como el gas natural, el petróleo, el carbón y otros productos fósiles, o el biogás, el alcohol, el metanol, etc., por lo tanto, la pila de combustible es muy adecuada para las necesidades de diversificación energética y puede frenar el agotamiento de las principales fuentes de energía.
Comparación entre batería de iones de litio y pila de combustible
El principio de funcionamiento de la pila de combustible: su batería se convierte directamente en energía eléctrica mediante la acción química del hidrógeno y el oxígeno sin combustión, por lo que no se producen contaminantes y el índice de utilización del combustible es muy elevado. El principio de funcionamiento de la pila de litio es también el principio de funcionamiento del híbrido. La mayoría de los modelos híbridos actuales (en su fase inicial) utilizan baterías de litio.
Las pilas de combustible no pueden almacenar electricidad, es decir, se utilizan inmediatamente y no hay electricidad sin repostar. En otras palabras, las baterías de litio convierten la energía eléctrica en energía química y luego en energía eléctrica, mientras que las pilas de combustible convierten directamente la energía química en energía eléctrica.
Las pilas de litio pueden almacenar electricidad, son fáciles de transportar y pueden utilizarse como baterías para energía móvil. Las baterías de litio se utilizan ampliamente en el almacenamiento de energía doméstica, carritos de golf, ruedas eléctricas y otros equipos. La especificación común de la batería de litio es Batería de iones de litio de 12 V. La pila de combustible nació para los vehículos eléctricos/híbridos. Ambas baterías son la fuente de energía más popular para los coches.
● En términos de autonomía de crucero, la pila de combustible tiene más ventajas, casi el doble que las baterías de iones de litio.
● Tanto la pila de combustible como la batería de iones de litio tienen un bajo impacto en el medio ambiente. El producto de combustión de la primera es agua, y no produce los gases de efecto invernadero que se generan tras la combustión de gasolina/diesel. Los productos de descarga de las baterías de iones de litio pueden ser óxido de litio, hidróxido de litio, etc., y no afectan al medio ambiente. Además, las baterías de iones de litio son reutilizables.
● La pila de combustible se carga más rápido que la batería de iones de litio.
● Sin embargo, como las baterías de litio están más maduras, el coste de las estaciones de carga y las baterías es mucho menor que el de la pila de combustible.
Ambos tipos de baterías son prometedoras, pero su orientación futura puede diferir. Las baterías de litio son más adecuadas para turismos, mientras que la pila de combustible de hidrógeno lo es para vehículos comerciales. Los sistemas de baterías de iones de litio son más adecuados para sustituir a los motores de gasolina, y los sistemas de pilas de combustible de hidrógeno son más adecuados para sustituir a los motores diésel. Esta es la razón por la que la investigación técnica actual se centra en los vehículos comerciales de pila de combustible. Para comparar las pilas de combustible y otras baterías, puede consultar también batería de flujo frente a pila de combustible.
