24) Las membranas son el “alma” de las tecnologías de hidrógeno.
En este caso voy a explicar porque son tan importantes las membranas de óxido solido dentro de las pilas de combustible de alta temperatura.
En la imagen adjunta podemos observar las reacciones que ocurren en cada compartimento, por un lado en el cátodo donde se reduce el oxigeno y por otro lado, el ánodo donde se oxida el hidrógeno para generar la electricidad.
La clave de este sistema radica en que el anión de oxigeno (O²-), pueda viajar del cátodo al ánodo de manera rápida. Es decir, necesitamos un conductor iónico que nos permita conducir iones.
Para ello se necesita un electrolito, en este caso formado por un oxido de circonio (ZrO₂) dopado con un oxido de Ytrio (Y₂O₃), comúnmente conocido como circonio estabilizada con Ytrio (YSZ).
¿Pero cuál es el motivo para que eso ocurra?
Como podemos observar en la imagen adjunta, al sustituir el Ytrio (Y³+), en la estructura cristalina del circonio (Zr⁴+), se forman vacantes de oxigeno. Esto se debe a la necesidad de mantener la neutralidad eléctrica en la estructura. En ese caso, si se reemplazan 2 átomos de Ytrio por 2 átomos de Zirconio, se genera 1 vacante de oxigeno.
Entonces aplicando una diferencia de potencial, los oxígenos pueden saltar de vacante en vacante y de esta manera, el anión de oxigeno generado en el cátodo atraviesa todo el conductor y llega al ánodo para poder finalizar la reacción.
¿Y de que depende?
El conductor iónico tiene una energía de activación (Ea), que es la energía que necesita para dar marcha al proceso. Es por eso, que las pilas de combustible de oxido solido necesitan temperaturas tan altas de entre 500-1000ºC.
-¿Qué se espera en el futuro?
Toda reducción de la energía de activación, supondrá una mejora sustancian en las condiciones de operación, dado que será más sencillo energéticamente iniciar los saltos del oxigeno a través de las vacantes, y de ese modo, bajará la temperatura de operación. Aumentando la eficiencia y disminuyendo significativamente la degradación que sufren los materiales a esas temperaturas tan altas.
24) Membranes are the “soul” of hydrogen technologies.
In this case I am going to explain why solid oxide membranes are so important in high temperature fuel cells.
In the attached image we can see the reactions that occur in each compartment, on the one hand in the cathode where oxygen is reduced and on the other hand, the anode where hydrogen is oxidized to generate electricity.
The key to this system lies in the fact that the oxygen anion (O²-) can travel from the cathode to the anode quickly. That is, we need an ionic conductor that allows us to conduct ions.
For this, an electrolyte is needed, in this case formed by a zirconia oxide (ZrO₂) doped with a yttrium oxide (Y₂O₃), commonly known as yttrium stabilized zirconia (YSZ).
But what is the reason for this to happen?
As we can see in the attached image, when replacing Yttrium (Y³+), in the crystalline structure of zirconia (Zr⁴+), oxygen vacancies are formed. This is due to the need to maintain electrical neutrality in the structure. In this case, if 2 yttrium atoms are replaced by 2 zirconium atoms, 1 oxygen vacancy is generated.
So by applying a potential difference, the oxygen can jump from vacancy to vacancy and in this way, the oxygen anion generated at the cathode goes through the entire conductor and reaches the anode to finish the reaction.
And what does it depend on?
The ionic conductor has an activation energy (Ea), which is the energy it needs to start the process. That is why solid oxide fuel cells need such high temperatures of between 500-1000ºC.
-What is expected in the future?
Any reduction in the activation energy will mean a substantial improvement in the operating conditions, since it will be energetically easier to start the oxygen jumps through the vacancies, and thus, the operating temperature will drop. Increasing efficiency and significantly reducing the degradation suffered by materials at such high temperatures.