Pila de combustible

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Pila de hidrógeno. La celda en sí es la estructura cúbica del centro de la imagen.

Una célula de combustible o celda de combustible es un dispositivo electroquímico de conversión de energía similar a una batería, pero se diferencia de esta última en que está diseñada para permitir el reabastecimiento continuo de los reactivos consumidos; es decir, produce electricidad de una fuente externa de combustible y de oxígeno en contraposición a la capacidad limitada de almacenamiento de energía que posee una batería. Además, los electrodos en una batería reaccionan y cambian según como esté de cargada o descargada; en cambio, en una celda de combustible los electrodos son catalíticos y relativamente estables.

Los reactivos típicos utilizados en una celda de combustible son hidrógeno en el lado del ánodo y oxígeno en el lado del cátodo (si se trata de una celda de hidrógeno). Por otra parte las baterías convencionales consumen reactivos sólidos y, una vez que se han agotado, deben ser eliminadas o recargadas con electricidad. Generalmente, los reactivos "fluyen hacia dentro" y los productos de la reacción "fluyen hacia fuera". La operación a largo plazo virtualmente continua es factible mientras se mantengan estos flujos.

Tabla de contenidos

1 Tecnología
2 Tipos de celdas de combustible
3 Eficiencia
4 Aplicaciones de las celdas de combustible
5 Otros posibles usos
6 Vehículos de hidrógeno, barcos, aviones y estaciones de servicio
7 Economía y Medio Ambiente
8 Historia
9 Bibliografía
10 Enlaces externos
11 Véase también

[editar] Tecnología

Esquema de funcionamiento de una pila de combustible.

En el ejemplo típico de una membrana intercambiadora de protones (o electrolito polimérico) hidrógeno/oxígeno de una celda de combustible (PEMFC, en inglés: proton exchange membrane fuel cell), una membrana polimérica conductora de protones (el electrolito), separa el lado del ánodo del lado del cátodo.

En el lado del ánodo, el hidrógeno esparcido en el ánodo catalizador se disocia en protones y electrones. Los protones son conducidos a través de la membrana al cátodo, pero los electrones están forzados a viajar por un circuito externo (produciendo energía) ya que la membrana está aislada eléctricamente. En el catalizador del cátodo, las moléculas del oxígeno reaccionan con los electrones (conducidos a través del circuito externo) y protones para formar el agua. En este ejemplo, el único residuo es vapor de agua o agua líquida.

Además de hidrógeno puro, también se tiene el hidrógeno contenido en otras moléculas de combustibles incluyendo el diésel, metanol (véase DMFC) y los hidruros químicos, el residuo producido por este tipo de combustibles además de agua es dióxido de carbono, entre otros.

[editar] Voltaje

Una celda de combustible típica produce aproximadamente 0,8 voltios; para crear bastante voltaje, las celdas se agrupan combinándolas en serie y en paralelo, en lo que en inglés se denomina "Fuel Cell Stack" (apilado de celdas de combustible). El número de celdas usadas es generalmente superior a 45 y varía según el diseño.

[editar] Materiales

Los materiales usados en celdas de combustible varían según el tipo. Véase Tipos de celda de combustible.

Las placas del electrodo/bipolar se hacen generalmente de nanotubos de metal, de níquel o de carbón, y están cubiertas por un catalizador (como el platino o el paladio) para conseguir una eficacia más alta. El electrolito puede ser de cerámica o bien una membrana.

[editar] Consideraciones de diseño en las celdas de combustible

Costes. En 2002, las celdas típicas tenían un coste debido al catalizador de 850 € (aprox. 1000 USD) por kilovatio energía eléctrica útil; sin embargo, se espera que antes de 2007, sea reducida a unos 25 € (aprox. 30 USD) por kilovatio [1]. Ballard ha conseguido, gracias a un catalizador mejorado con seda de carbono (carbon silk), una reducción del 30% (1 mg/cm² a 0,7 mg/cm²) de la cantidad de platino sin una reducción en rendimiento (información de 2005)[2].

Los costes MEA (del inglés Membrane Electrode Assembly, o montaje del electrodo de la membrana) del PEM (membrana intercambiadora de protones) varían según el fabricante. Así, la membrana de Nafion^® de aprox. 400 €/m² utilizada en la membrana PEM de Toyota y 3M está siendo substituida por la membrana de la ITM Power, con un precio alrededor de 4 €/m² (2004). Esta membrana nueva es un hidrocarburo-polímero. Una compañía holandesa que ha realizado grandes inversiones en este terreno está utilizando Solupor^® (un film de polietileno poroso)[3].

Gestión del agua en las PEMFC. En este tipo de celdas de combustible, la membrana debe hidratarse, requiriendo evaporar el agua exactamente en la misma medida en que ésta es producida. Si el agua se evapora demasiado rápido, la membrana se seca, la resistencia a través de ella aumenta, y se agrietará, creando un "corto circuito" de gas donde el hidrógeno y el oxígeno se combinan directamente, generando calor que dañará la celda de combustible. Si el agua se evapora demasiado lentamente, los electrodos se inundarán, evitando que los reactivos puedan alcanzar el catalizador y se parará la reacción. Los métodos para disponer de exceso del agua están siendo desarrollados por las compañías que investigan las celdas de combustible.

Gestión de la temperatura. Se debe mantener la misma temperatura en toda la celda para evitar la destrucción de la celda por fatiga térmica.

Control de flujo. Al igual que en un motor de combustión, hay que mantener un cociente constante entre el reactivo y el oxígeno para que la celda funcione eficientemente.

Durabilidad, vida, y requisitos especiales para ciertos tipos de celdas. Los usos inmóviles requieren normalmente más de 40.000 horas operativas fiables a una temperatura de -35 °C a 40 °C, mientras que las celdas automotoras de combustible requieren una esperanza de vida de 5.000 horas (el equivalente de 150.000 millas) bajo temperaturas extremas. (Véase: Vehículo de hidrógeno). Los usos automotores deben además poder arrancar con fiabilidad a -30 °C y tener un alto poder energético por unidad de volumen (típicamente 2.5 kW por litro).

Limitada tolerancia al CO (monóxido de carbono)

[editar] Tipos de celdas de combustible

Nombre	Electrolito	Rango	Temperatura de trabajo	Eficiencia eléctrica	Status
Celda de combustible reversible Reversible fuel cell					Kit para la enseñanza
Blue Energy Blue Energy	membrana de polietileno	Superior a 250 kW			Investigación
Celda de combustible biológica MFC - Biological fuel cell
Celda de combustible de zinc Zinc fuel cell ('Air' fuel cell)
Batería de flujo Redox fuel cell					Investigación
AFC - Alkaline fuel cell	solución alcalina	de 10 a 100 kW	inferior a 80°C	Celda: 60–70% Sistema: 62%	Comercializandose/ Investigación
PEM FC - Proton exchange membrane fuel cell	membrana polimérica(ionomer)	de 0,1 a 500 kW	70–200 °C,	Celda: 50–70 % Sistema: 30–50 %	Comercializandose/ Investigación
DBFC - Direct borohydride fuel cell	solución alcalina NaOH		70 °C		Investigación
FAFC - Formic acid fuel cell	ácido fórmico		90–120 °C		Investigación
DMFC - Direct methanol fuel cell	membrana polimérica	de pocos mW a 100 kw	90–120 °C	Celda: 20–30 %	Comercializandose/ Investigación
DEFC - Direct-ethanol fuel cell					Investigación
PAFC - en:Phosphoric-acid fuel cellPhosphoric-acid fuel cell	Ácido fosfórico	Superior a 10 MW	200 °C	Celda: 55 % Sestema: 40 %	Comercializandose/ Investigación
MCFC - Molten carbonate fuel cell	Carbonato-Alcalino Fundido	100 MW	650 °C	Celda: 55 % Sistema: 47 %	Comercializandose/ Investigación
PCFC - Protonic ceramic fuel cell	cerámica		700 °C		Investigación
SOFC - Solid oxide fuel cell	Electrolito de Óxido Cerámico	Superior a 100 MW	800–1000 °C	Celda: 60–65 % Sistema: 55–60 %	Comercializandose/ Investigación

[editar] Eficiencia

La eficiencia de las celdas de combustible, a diferencia de los motores de combustión (interna y externa) no está limitada por el ciclo de Carnot ya que no siguen un ciclo termodinámico. Por lo tanto, su eficiencia es muy alta (en comparación) al convertir energía química a eléctrica directamente. La eficacia de una celda de combustible $\eta\,\!$ , bajo condiciones estándares está limitada por el cociente de la variación de la energía libre (estándar) de Gibbs $\Delta\mathrm{G}^\circ$ , por la variación de la entalpía estándar de la reacción química completa $\Delta\mathrm{H}^\circ$ . La eficiencia real es igual o inferior a esto (normalmente inferior).

$\eta\,=\frac{\Delta\mathrm{G}^\circ}{\Delta\mathrm{H}^\circ}$

Una celda de combustible convierte normalmente la energía química de combustible en electricidad con una eficacia aproximadamente del 50%. La eficacia sin embargo depende en gran medida de la corriente que circula a través de la celda de combustible: cuanto mayor es la corriente, más baja es la eficacia. Para una celda de hidrógeno la eficiencia (energía real/energía teórica) es igual al voltaje de la celda dividido por 1,23 voltios, a una temperatura de 25 °C. Este voltaje depende del combustible usado, de la calidad y de la temperatura de la celda. Una celda que funciona a 0.6 V tiene una eficacia de cerca de 50%, lo que significa que el 50% de la energía contenida en el hidrógeno es convertida en energía eléctrica.

Una celda de combustible y un electrolizador devuelve menos del 50 por ciento de la energía de entrada (esto se conoce como eficacia ida-vuelta), mientras que una batería de plomo y ácido mucho más barata puede devolver cerca de 90 por ciento.

Hay que considerar también las pérdidas debidas a la producción, al transporte y al almacenaje. Los vehículos de la celda de combustible que funcionan con hidrógeno comprimido tienen una eficiencia del 22% si el hidrógeno se almacena como gas de alta presión, y del 17% si se almacena como hidrógeno líquido.

Las celdas de combustible no pueden almacenar energía como una batería, sino que en algunos usos, como centrales eléctricas independientes basadas en fuentes "discontinuas" (solares, energía del viento), se combinan con electrolizadores y sistemas del almacenaje para formar un sistema para guardar esta energía. La eficacia ida-vuelta (de electricidad al hidrógeno y de nuevo a electricidad) de tales plantas se encuentra entre el 30 y el 40%.

En "usos combinados del calor y de la energía" (una mejora de los procesos de cogeneración, la celda de combustible se pone en un sitio en donde también se requiera calor, se tolera una eficacia más baja de la conversión de combustible a electricidad (típicamente 15-20%), porque la mayoría de la energía no convertida en electricidad se utiliza como calor. Algo de calor se pierde con el gas que escapa más o menos como en un horno normal, así que con esta combinación de energía térmica y de energía eléctrica la eficacia sigue siendo más baja de 100%, normalmente alrededor del 80%. En términos de exergía sin embargo, el proceso es ineficaz, y uno obtendría mejor resultado maximizando la electricidad generada y después usando la electricidad para hacer funcionar una bomba de calor.

[editar] Aplicaciones de las celdas de combustible

Las celdas de combustible son muy útiles como fuentes de energía en lugares remotos, como por ejemplo una nave espacial, estaciones meteorológicas alejadas, parques grandes, localizaciones rurales, y en ciertos usos militares. Un sistema con celda de combustible que funciona con hidrógeno puede ser compacto, de peso ligero y no tiene ninguna pieza móvil importante.

Una nueva forma de darle uso es combinando calor y la electricidad (CHP, Combined Heat and Power) para viviendas familiares, los edificios de oficinas y las fábricas. Este tipo de sistema genera energía eléctrica de manera constante (vendiendo el exceso de energía a la red cuando no se consume), y al mismo tiempo produce aire y agua caliente gracias al calor que desprende. Las celdas de combustible de Ácido fosfórico (PAFC Phosphoric-Acid Fuel Cells) abarcan el segmento más grande de los productos existentes de CHP en todo el mundo y pueden proporcionar eficacias combinadas cercanas al 80% (45-50% eléctrico + el resto como termal). El mayor fabricante más grande de las celdas de combustible de PAFC es UTC Power, una división de United Technologies Corporation. También se han instalado celdas de combustible de carbonato Fundido (MCFC Molten Carbonate Fuel Cell) con fines idénticos, y existen prototipos de celdas de óxido sólido (SOFC Solid-Oxide Fuel Cell).

Sin embargo, puesto que los sistemas electrolizadores no almacenan el combustible en sí mismos, sino en unidades externas del almacenaje, pueden utilizarse en almacenaje a gran escala de energía, las áreas rurales que son un ejemplo. En este caso, las baterías tendrían que ser de gran tamaño para satisfacer la demanda del almacenaje, pero las celdas de combustible necesitan solamente una unidad (más grande que las unidades normales) de almacenaje que normalmente es más barata que un dispositivo electroquímico.

Existe un programa experimental en Stuart Island en el estado de Washington. Allí Stuart Island Energy Initiative ha construido un sistema completo en el cual los paneles solares generan la corriente para hacer funcionar varios electrolizadores que producen hidrógeno el cual se almacena en un tanque de 500 galones (unos 1900 litros o 1,9 metros cúbicos) a 150-200 PSI (10,34-13,79 bar.). El hidrógeno aquí se utiliza para hacer funcionar una celda de combustible de hidrógeno de 48 V ReliOn que proporcione una completa reserva para la red eléctrica de los barrios residenciales de la isla (véase el enlace externo a SIEI.ORG).

Protium, una banda de rock formada en la Ponaganset High School, en Glocester, fue la primera banda del mundo en utilizar celdas de combustible de hidrógeno para proveerse de energía. La banda utilizaba un Airgen Fuelcell de 1kw Ballard Power systems. La banda ha tocado en numerosos eventos relacionados con las celdas de combustible incluyendo el CEP de Connecticut, y el 2003 Fuel Cell Seminar en Miami beach.

Plug Power Inc. es un participante importante en el diseño, desarrollo y fabricación de celdas de combustible PEM para los usos no móviles, incluyendo los productos dirigidos a las telecomunicaciones, energía básica, y usos combinados de calor y energía (CHP).

[editar] Otros posibles usos

Plantas generadoras base (aquellas que mantienen una producción constante de electricidad, y no se apagan nunca a no ser en casos de mantenimiento o avería)
Vehículos Eléctricos
Sistemas Auxiliares de Energía
Sistemas de apoyo de la red

En la actualidad, quizá el mayor problema sea encontrar un buen material, con el fin de utilizarlo como soporte o también como catalizador. Siguiendo lo propuesto por varios autores(Venkatachalapathy, Davila et al. 1999), (Hoogers 2003), un electrocatalizador debe satisfacer varios requisitos. Necesita, en primer lugar, proporcionar altas actividades intrínsecas para la oxidación electroquímica de un combustible en el ánodo, (e.g. H₂ o CH₄) y para la reducción del O₂ en el cátodo. La buena durabilidad es también un requisito dominante porque se espera que las PEMFCs funcionen para diez millares de horas. Se desea además que un electrocatalizador deba tener una buena conductividad eléctrica (para reducir al mínimo pérdidas por resistencia en la capa del catalizador), de bajo costo, manufacturable para producción industrial y con buena reproducibilidad.

[editar] Vehículos de hidrógeno, barcos, aviones y estaciones de servicio

El Toyota FCHV PEM FC, un vehículo diseñado por Toyota impulsado por hidrógeno

La primera estación de reabastecimiento de hidrógeno como combustible fue abierta en Reykjavík, Islandia en abril de 2003. Esta estación abastece a tres autobuses construidos por DaimlerChrysler y que prestan servicio en la red de transporte público de Reykjavík. La propia estación produce el hidrógeno que necesita, gracias a una unidad electrolizadora (fabricada por Norsk Hydro), y no necesita ser rellenada: sus únicas entradas son electricidad y agua. Shell también participa en el proyecto. La estación no tiene azotea, para permitir que el hidrógeno que pueda escapar salga a la atmósfera.

Hay numerosos prototipos y modelos de coches y autobuses basados en la tecnología de celdas de combustible en los que se sigue investigando e incluso fabricando algunos modelos. La investigación sigue en curso en compañías como DaimlerChrysler, Ballard Power Systems, Ford, Volvo, Mazda, General Motors, Honda, la BMW, Hyundai, y Nissan, entre muchos otros. Un automóvil comercial práctico basado con celda de combustible no se espera hasta por lo menos 2010 según la industria.

Submarino Type 212 en el puerto

Los submarinos Type 212A, un avanzado diseño alemán para desarrollar submarinos no nucleares, utiliza celdas de combustible (desarrolladas por Siemens) para impulsar nueve propulsores y puede mantenerse sumergido durante semanas sin tener que subir a la superficie.

De manera parecida Airbus está desarrollando un prototipo de avión que utilice esta tecnología.

Actualmente, un equipo de estudiantes universitarios llamados Energy-Quest está planeando llevar un barco accionado por celda de combustible de hidrógeno alrededor del mundo (así como otros proyectos usando los combustibles eficientes o renovables). Su empresa se llama Tritón.

[editar] Economía y Medio Ambiente

Las celdas de combustible suelen ser consideradas muy atractivas para usos modernos por su eficacia alta e idealmente (véase energías renovables) libres de emisiones, en contraste con combustibles más comunes actualmente, como pueden ser el metano o gas natural, que generan dióxido de carbono. Casi el 50% de toda la electricidad producida en los Estados Unidos viene del carbón. El problema es que el carbón es una fuente de energía relativamente sucia. Si la electrólisis (un proceso que necesita electricidad) se utiliza para crear el hidrógeno usando energía de las centrales eléctricas, en realidad se está creando el combustible hidrógeno a partir de carbón. Aunque la celda de combustible emite solamente calor y agua como residuos, el problema de la contaminación todavía estará presente en las centrales eléctricas.

Un acercamiento integral debe considerar los impactos de un escenario amplio del hidrógeno. Esto refiere a la producción, al uso y a la disposición de la infraestructura y de los convertidores de la energía. Los apilados de las celdas de combustible hoy en día tienen una gran cantidad de catalizador. Esto se debe al deterioro que sufre el catalizador y para que no reduzca su actividad este debe ser sobredimensionado [4]. Las reservas limitadas de platino aceleran la síntesis de un complejo inorgánico muy similar a la base catalítica del hierro-sulfuro de las bacterias hidrogenasas [5] para empezar a tomar medidas. Las reservas del mundo del platino son insuficientes (de hecho, sólo un cuarto) para apoyar una conversión total de todos los vehículos a celdas de combustible: una introducción significativa de vehículos con la actual tecnología, por lo tanto, sólo haría que el valor comercial de platino se elevase y sus reservas descendiesen.

[editar] Historia

El principio de la celda de combustible fue descubierto por el científico Christian Friedrich Schönbein en Suiza en 1838 y publicado en la edición de enero de 1839 del "Philosophical Magazine". De acuerdo con este trabajo, la primera celda de combustible fue desarrollada por Sir William Grove, un científico galés. Un primer boceto fue publicado en 1843. Para fabricar la celda de combustible utilizó materiales similares a los usados hoy en día para la celda de combustible de ácido fosfórico. No fue hasta 1959 cuando el ingeniero británico Francis Thomas Bacon desarrolló con éxito una celda inmóvil de combustible de 5 kilovatios.

En 1959, un equipo encabezado por Harry Ihrig construyó un tractor basado en una celda de combustible de 15 kilovatios para Allis-Chalmers que fue expuesto en EE.UU. en las ferias del estado. Este sistema utilizó hidróxido de potasio como electrolito y el hidrógeno y el oxígeno comprimidos como reactivos.

Más adelante, en 1959, Bacon y sus colegas mostraron una unidad de 5 kW capaz de accionar una máquina de soldadura, que condujo, en los años 60 a que las patentes de Bacon licenciadas por Pratt y Whitney en los Estados Unidos (al menos sus conceptos) fuesen utilizadas en el programa espacial de Estados Unidos para proveer de electricidad y de agua potable (hidrógeno y oxígeno que está fácilmente disponible de los tanques de la nave espacial) a los astronautas.

Paralelamente a Pratt & Whitney Aircraft, General Electric desarrolló la primera celda de combustible que utilizaba una membrana intercambiadora de protones (PEMFCs) para las misiones espaciales Gemini de la NASA. La primera misión que utilizó PEFCs fue Gemini V. Sin embargo, las misiones espaciales Apollo y las misiones subsecuentes Apollo-Soyuz, del Skylab, y del transbordador utilizaban celdas de combustible basadas en el diseño de Bacon, desarrollado por Pratt & Whitney Aircraft.

UTX subsidiara de UTC Power fue la primera compañía en fabricar y comercializar un sistema de gran escala, inmóvil de celdas de combustible para su uso como central eléctrica de cogeneración en hospitales, universidades, y grandes edificios de oficinas. UTC Power continúa comercializando esta celda de combustible como el PureCell 200, un sistema de 200 kilovatios. y sigue siendo el único proveedor de celdas de combustible a la NASA para su uso en vehículos espaciales, proveyendo las misiones Apolo y actualmente el trasbordador espacial, y está desarrollando celdas de combustible para automóviles, autobuses, y las antenas de telefonía móvil. En el mercado de los automóviles basados en celdas de combustible, UTC Power expuso la primera celda de combustible capaz de comenzar a funcionar a temperaturas bajo con su celda automotora de combustible de membrana de la intercambiadora de protones (PEM). Nota: La energía del UTC también utiliza el nombre de las celdas de combustible del UTC al referir a productos de la celda de combustible.

Los materiales utilizados eran extremadamente y las celdas de combustible requerían hidrógeno y oxígeno muy puros. Las primeras celdas de combustible solían requerir temperaturas muy elevadas que eran un problema en muchos usos. Sin embargo, las celdas de combustible seguían siendo investigadas debido a las grandes cantidades de combustible disponibles (hidrógeno y oxígeno).

A pesar de su éxito en programas del espacio, los sistemas con celdas de combustible eran limitados a las misiones de espacio y a otros usos especiales, donde el alto coste se podía tolerar. No fue hasta el final de los años 80 y principios de los 90 que las celdas de combustible se convirtieron en una opción verdadera uso más amplio. Varias innovaciones, catalizador con menos platino y electrodos de película fina bajaron el coste de las celdas de combustible, haciendo que el desarrollo de sistemas PEMFC (como por ejemplo automóviles) fuese más o menos realista.

[editar] Bibliografía

Gregor Hoogers, Hoogers Hoogers - Fuel Cell Technology Handbook - Edita:CRC Press Enero de 2003 - ISBN 0849308771
Venkatachalapathy, R., G. P. Davila, et al. (1999). "Catalytic decomposition of hydrogen peroxide in alkaline solutions." Electrochemistry Communications 1: 614-617.