Etanol

Investigadores del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley y la Universidad de Connecticut han demostrado celdas de combustible de óxido sólido soportadas por metal (MS-SOFC) de alto rendimiento con un catalizador de reformado interno (IRC) de aleación de alta entropía (HEA) integrado para aplicaciones de transporte que utilizan etanol y metanol. como combustibles. Un artículo sobre su trabajo se publica en el Journal of Power Sources.

Las pilas de combustible de óxido sólido (SOFC) tienen flexibilidad de combustible; Además del hidrógeno, se pueden utilizar diversos tipos de combustibles de hidrocarburos, como gas natural (metano), metanol, etanol, biocombustibles y carbón mediante reformado externo con vapor (ESR) o reformado interno directo (DIR). El bioetanol renovable producido a partir de materias primas agrícolas y algas ofrece los beneficios de una alta densidad energética, un fácil almacenamiento y transporte y un bajo impacto ambiental.

La visión de Nissan es utilizar etanol para ampliar la autonomía de los vehículos eléctricos [publicación anterior]. Las SOFC con soporte metálico (MS-SOFC), que utilizan aceros ferríticos de bajo costo como soporte, permiten un arranque rápido y ciclos térmicos del sistema de energía MS-SOFC, un requisito clave para los vehículos de consumo. Aprovechando estas ventajas de las MS-SOFC y el bioetanol, se están desarrollando SOFC alimentadas con etanol para vehículos eléctricos que utilizan etanol concentrado (≥45 v% etanol/agua (equilibrio), abreviado como “45% EtOH”) como combustible. Una evaluación reciente de la viabilidad del etanol y la gasolina en vehículos SOFC indica que las SOFC alimentadas con etanol tienen más ventajas económicas, ambientales y sociales que los vehículos alimentados con gasolina.

La operación DIR ofrece una serie de beneficios:

La reacción de reformado con vapor y la reacción de la pila de combustible se desarrollan en secuencia en el lado del ánodo, sin la complejidad, el volumen y el costo adicionales asociados con los reformadores externos.

Mayor eficiencia general y estabilidad dinámica inherente. A medida que aumenta la potencia de la pila de combustible, se produce más calor y agua, necesarios para el reformado interno. El consumo de hidrógeno por la reacción de la pila de combustible impulsa directamente el reformado con vapor de etanol.

El vapor producido regresa al exterior de la capa del catalizador reformado y reduce la necesidad de inyección de agua. Esto permite una alta concentración de combustible de etanol en el tanque de almacenamiento, aumentando así la autonomía de conducción del vehículo eléctrico.

Sin embargo, las deficiencias del funcionamiento del DIR incluyen la incapacidad de reemplazar el catalizador DIR y el espacio limitado para el catalizador. Por tanto, los catalizadores DIR deben ser duraderos y altamente eficientes. Además, la formación de carbono o coque durante la DIR es una preocupación principal para la estabilidad celular. Los investigadores observaron que la deposición de carbono en el ánodo puede bloquear los poros del electrodo, desactivar los sitios del catalizador y provocar una rápida descomposición de la celda en el peor de los casos.

Los catalizadores de reformado de aleaciones de alta entropía (HEA), que contienen 5 o más elementos con concentraciones entre 5 y 35% de átomos, amplían los enfoques de aleación convencionales para catalizadores funcionales. Lee y cols. informaron que el catalizador de reformado HEA-GDC proporcionó una estabilidad operativa superior sin coque ni deposición de carbono en el ánodo utilizando combustible de metano durante 30 h. El HEA muestra ventajas (resistencia a la formación de coque y sinterización) sobre las bialeaciones convencionales de elementos Ni, Co, Cu, Fe y Mn. Algunos de los desafíos asociados con la introducción de catalizadores de reformado interno (distintos de HEA) en las MS-SOFC fueron la afinidad por el soporte metálico, la pérdida de superficie debido a la sinterización y la interacción nociva con los componentes de las SOFC.

Nuestro equipo desarrolló previamente HEA para metano y lo integró con éxito en MS-SOFC con combustibles gaseosos. Los MS-SOFC con capa de reformado HEA-GDC alcanzaron 0,5 W cm-2 utilizando combustible con 97% CH4/3% H2O sin depósitos de carbono ni coque después de 40 h de funcionamiento. Aquí, ampliamos el uso de la capa de reformado HEA en MS-SOFC al combustible líquido de etanol de alta concentración.

Este estudio demuestra el catalizador de reformado interno HEA-SDC para mejorar el rendimiento y la estabilidad de las células. El catalizador HEA-SDC se integra en nuestros MS-SOFC recientemente optimizados (con soportes metálicos delgados y altamente porosos) mediante métodos de infiltración y pasta con brocha. Se explora el impacto de la carga y el espesor del catalizador de reformado HEA-SDC y la temperatura de funcionamiento en el rendimiento de la celda. Se cuantifica el transporte de masa del MS-SOFC basado en HEA-SDC/Ni-SDC y se analizan las morfologías de los electrodos con microscopía electrónica de barrido. La deposición de carbono se predice mediante análisis termodinámicos y se confirma mediante los resultados de las pruebas de celda. La estabilidad de las MS-SOFC alimentadas con etanol se prueba durante hasta 500 h. Se analizan factores de degradación como la aglomeración del catalizador y la deposición de cromia. Los combustibles alternativos, como el metanol, también se prueban con catalizadores HEA. Este estudio proporciona información útil para un mayor desarrollo y comercialización de MS-SOFC alimentadas con etanol con IRC.

Entre los hallazgos:

La adición del HEA IRC mejora drásticamente el rendimiento y la estabilidad de la celda cuando se utiliza combustible con mezcla de etanol y agua.

El catalizador de reformado HEA infiltrado proporciona una estructura altamente porosa y una baja carga de catalizador (6 mg cm-2).

La mejor concentración de etanol (60:40 v% etanol: agua) proporciona 0,83 W cm-1 a 700 °C, sin deposición de carbono.

Recursos

Boxun Hu, Grace Lau, Kevin X. Lee, Seraphim Belko, Prabhakar Singh, Michael C. Tucker (2023) “Celdas de combustible de óxido sólido soportadas por metal alimentadas con etanol con un catalizador de reformado interno de aleación de alta entropía”, Journal of Power Sources, volumen 582. doi: 10.1016/j.jpowsour.2023.233544

Publicado el 27 de agosto de 2023 en Etanol, Pilas de combustible, Antecedentes del mercado | Enlace permanente | Comentarios (5)