Componentes de la celda

La celda de la pila de combustible se subdivide en una serie de elementos: placa separadora, colector de corriente del ánodo, ánodo, matriz electrolítica, cátodo y colector de corriente del cátodo, como se aprecian en la figura 2.3. Como se detalla más adelante en el apartado 2.2.3, en cada uno de los compartimentos en los cuales se discretiza la celda de combustible se mantiene la estructura y los elementos mencionados.

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Figura 2.3. Componentes de la celda de carbonato fundido

Inicialmente se encuentra la placa separadora. Este elemento se encarga de separar el último componente de un compartimento (cátodo) con el primero del compartimento adyacente (ánodo). La placa separadora es de acero inoxidable, lo cual permite asumir que es un conductor ideal.

En segundo lugar se sitúan el colector de corriente del ánodo y dicho electrodo. En el colector de corriente del ánodo se facilita la circulación de la corriente de gas por este electrodo. El hidrógeno se dirige hacia el ánodo, mientras que los productos vapor de agua y dióxido de carbono son guiados hacia el exterior de la celda y posteriormente hacia la entrada de la cámara de combustión catalítica. El ánodo es el electrodo en el cual se produce la semirreacción electroquímica de oxidación (2.4), que emplea como reactivo hidrógeno e iones carbonato (transportados previamente por la matriz electrolítica desde el cátodo) y produce vapor de agua y dióxido de carbono, junto a una generación de corriente eléctrica dirigida hacia el cátodo. El ánodo posee una delgada capa de catalizador que, entre otras funciones, permite facilitar la reacción de oxidación.

H2 + CO32- → H2O + CO2 + 2e- (2.4)

En la superficie de este componente de la celda se produce la reacción de desplazamiento con vapor o water-gas shift, ocurriendo de forma rápida y en equilibrio.

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La matriz electrolítica es el componente central en la celda de combustible y cumple importantes funciones. Además de impedir que los reactivos (combustible y oxidante) entren en contacto directo, esta matriz actúa como medio para el transporte de los iones del electrolito carbonato de un electrodo hacia el otro, permitiendo así que se produzcan las reacciones electroquímicas. Por este motivo destaca en este estudio el análisis del resultado que ofrecen dos matrices electrolíticas diferentes y se comprueba si la utilización de cada una de ellas puede afectar de forma considerable a la eficiencia de la pila de combustible.

Los últimos componentes de la celda son el cátodo y el colector de corriente del cátodo. En este electrodo se produce la semirreacción electroquímica de reducción (2.6), complementaria al ánodo, que consume dióxido de carbono y oxígeno, aunque reaccionan en diferente proporción molar (un mol de O2 por cada dos moles de CO2). Como en el caso del ánodo, el cátodo también requiere la presencia de una capa de catalizador que mejore la velocidad de la reacción electroquímica.

CO2 + ½ O2 + 2 e- → CO32- (2.6)

La circulación de la corriente gaseosa de reactivos dióxido de carbono y oxígeno se guía por el colector de corriente del cátodo para favorecer la reacción en el cátodo, mejorando el contacto entre los reactivos.

La reacción global electroquímica producida en la pila de carbonato, resultado de la suma de las semirreacciones en los electrodos, se define de acuerdo a la expresión (2.7). H2 + ½ O2 + CO2(cátodo) → H2O + CO2(ánodo) + Energía eléctrica + Calor residual (2.7) En esta reacción global se observa que los reactivos necesarios son un aporte de hidrógeno como combustible en el ánodo y de oxígeno como oxidante en el cátodo. Por otra parte, el requerimiento de dióxido de carbono en el cátodo se equilibra con la producción del mismo en el ánodo. El vapor de agua producido en el ánodo es un producto de la reacción. Además, se genera una cantidad de calor residual debido al carácter exotérmico de las semirreacciones electroquímicas de los electrodos, y energía eléctrica obtenida por la circulación de electrones desde el ánodo hacia el cátodo producida por estas mismas reacciones.

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2.2.4 Discretización de la celda

La celda se divide en un conjunto de veinticinco compartimentos los cuales presentan los mismos elementos que la celda unitaria, expuestos en el apartado 2.2.2. Además, cada compartimento presenta la misma forma y área, siendo 1/25 del área de la celda. La fragmentación de la celda se estudia para dos disposiciones diferentes: flujo cruzado y flujo paralelo. Estas disposiciones se caracterizan por la distribución (dirección y sentido) de las corrientes gaseosas que circulan por el ánodo y el cátodo en la celda de combustible, como se aprecia en la figura 2.4.

En la figura 2.4.a se representa la distribución de los compartimentos y las corrientes de los electrodos de la pila de carbonato en flujo paralelo. La corriente de entrada al ánodo y al cátodo del primer compartimento corresponde a la entrada de combustible de la celda de combustible y a la salida de la cámara de combustión catalítica, respectivamente. En el caso de los compartimentos intermedios y final de la celda, la corriente de entrada a cada electrodo (ánodo o cátodo) es igual a la corriente de salida del electrodo correspondiente en el compartimento previo.

En la disposición de flujo cruzado (figura 2.4.b) las corrientes globales de entrada y salida del ánodo se dividen en un número de subcorrientes correspondientes al número de filas en las que se compone la pila de carbonato. En el caso de las corrientes de entrada y salida del cátodo el número de subcorrientes empleadas es igual al número de columnas. En la celda de combustible de estudio los veinticinco compartimentos están dispuestos en cinco filas y cinco columnas. Por ello, la corriente de entrada al ánodo de la celda se divide en cinco corrientes iguales que son las entradas del ánodo del primer compartimento de cada fila (compartimentos 1, 6, 11, 16 y 21). En los demás compartimentos que constituyen la celda (compartimentos intermedios y finales de cada fila) se considera la corriente de entrada del ánodo como la corriente de salida del compartimento anterior de la fila correspondiente. Las corrientes del ánodo en los últimos compartimentos de cada fila se llevan a un mezclador previo a la cámara de combustión catalítica. A la salida de la cámara de combustión se divide la corriente de entrada al cátodo en las cinco subcorrientes de entrada necesarias para el primer compartimento de cada columna (compartimentos 1, 2, 3, 4 y 5). La corriente de entrada al cátodo en los compartimentos intermedios y finales de una columna es la corriente de salida del compartimento anterior de la columna.

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a) Flujo paralelo

b) Flujo cruzado

Figura 2.4. Esquema de pila de carbonato en función de la disposición de las corrientes gaseosas de los electrodos

2.3 Descripción modelo matemático de celda unitaria