Boeing quiere usar pilas de combustible de óxido sólido en sus aviones

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Investigadores de la universidades de Washington State (EE.UU.) y Kyung Hee (Corea del Sur) en colaboración con la empresa constructora de aviones Boeing Commercial Airplanes han desarrollado pilas de combustible de óxido sólido pensadas para la electrificación del transporte aéreo.

Las ultimas mejoras en este tipo de celdas de combustible mejoran el rendimiento y la resistencia de las mismas haciéndolas viables para su uso comercial, y podrían suponer un gran ahorro de combustible para las compañías aéreas.Microsoft PowerPoint - Graphical Abstract

Las pilas de combustible de óxido sólido (SOFCs, solid oxide fuel cells) son celdas de combustible que se caracterizan por usar como electrolito un óxido en estado sólido. Al igual que las pilas de hidrógeno extraen energía de un combustible, y en este caso puede incluso tratarse de combustibles fósiles. La ventaja frente a un motor de combustión es que su eficiencia puede llegar al 60%, frente al 38% que se consigue en el mejor de los casos con un motor térmico. Se genera directamente energía eléctrica y los productos de la reacción química en las SOFCs no son gases tóxicos. Sí se produce CO2 (y vapor de agua), aunque gracias a la mejor eficiencia se pueden reducir las emisiones y el consumo de combustible en un 50%.

Las SOFCs trabajan a altas temperaturas, entre los 500 y 1.000ºC. A esta temperatura se produce el reformado del combustible, que suelen ser hidrocarburos ligeros, sin necesidad de costosos catalizadores, dando como resultado mezclas de hidrógeno y monóxido de carbono (H2 y CO). El electrolito se encarga de transportar los átomos de oxigeno del aire desde el cátodo hasta el ánodo, donde se oxidan al entrar en contacto con el hidrógeno y el monóxido de carbono.

Las nuevas SOFCs están compuestas de un ánodo de dióxido de molibdeno (MoO2) con una red de interconexión porosa que exhibe unas excelentes propiedades de transferencia de iones y electrones. En el articulo «High-Performance Molybdenum Dioxide-Based Anode for Dodecane-Fueled Solid-Oxide Fuel Cells (SOFCs)» publicado en Energy Technology, los autores muestran como con el ánodo de MoO2 la pila de combustible alimentada por un sustituto de combustible para motores a reacción (n-dodecano) es capaz de generar una densidad de potencia máxima inicial de 3.0 W/cm2 a 750ºC y mantenerse en funcionamiento durante más de 24 horas sin sobrecalentarse.

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La capacidad de la pila de combustible de óxido sólido basada en MoO2 para operar directamente alimentada por combustibles líquidos complejos la convierte en una prometedora alternativa para cumplir con la creciente demanda de potencia en los futuros diseños de aeroplanos. El desarrollo de pilas de combustible de óxido sólido comenzó hace ya 10 años enfocado en la generación de electricidad para aviones comerciales. Las pilas de combustible ofrecen una alternativa más limpia, con menos emisiones de gases tóxicos y más eficientes que los motores térmicos para convertir la energía almacenada en los combustibles fósiles en electricidad. Son además más silenciosas y entre 2 y 4 veces más eficientes que un motor de combustión porque están basadas en un proceso electroquímico.

Usar gasolina para hacer funcionar pilas de combustible se antojaba difícil. El objetivo era evitar el peso añadido de una unidad de reformado, un paso intermedio para transformar el complejo fluido en gas de síntesis (CO y H2), los investigadores querían añadir directamente el combustible en la celda. Otro problema es que el azufre presente en los combustibles puede degradar la pila y las largas horas de operación suelen acabar por quemar el sistema, además de la posible formación de depósitos sólidos. Para probar la resistencia del ánodo de MoO2 (fabricado sobre un electrolito de itrio-circonio) frente al envenenamiento por azufre, probaron añadir azufre hasta una concentración de 500 ppm (partes por millón). Los resultados fueron satisfactorios, ya que la celda no llegó a pararse.

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Animados por los resultados han sacado otra publicación en la revista Power Sources donde se estudia su rendimiento usando gasolina PremiumGasoline-Fueled Solid Oxide Fuel Cell with High Power Density«). Con este combustible las SOFCs alcanzan una densidad de potencia similar, 3.0 W/cm2 a 0.6V, aunque sufre una ligera caída de la corriente tras las primeras 7 horas y se reduce la densidad de potencia a 2.0 W/cm2. Los estudios con gasolina están enfocados a demostrar que las SOFCs pueden generar electricidad suficiente para ser aplicadas en vehículos híbridos. Las pruebas de caracterización de los materiales realizadas tras los ensayos demuestran que las SOFCs no sufren defectos significativos en la estructura de los electrodos.

De ser aplicada en la aviación, la pila de combustible de óxido sólido  sustituiría la unidad de energía auxiliar, que actualmente es un motor de combustión encargado de proporcionar energía eléctrica al avión cuando los motores principales están apagados o para ayudar en su arranque. Sería muy interesante su uso para maniobras en pista con un motor eléctrico en el tren de aterrizaje, maniobras que representan hasta el 6% del consumo total de combustible en las flotas de aviones. En un diseño más complejo la SOFC podría incluso usarse para precalentar los gases que alimentan las turbina, gracias a su elevada temperatura, y mejorar así la eficiencia los propulsores.

Fuentes | Energy technology | Journal of Power Sources

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