Energías alternativas
Pilas de combustible: Energía para el futuro

Las pilas de combustible o fuel cell convierten la energía química directamente en energía eléctrica y calor. En una pila de combustible de electrolito polimérico (PEMFC) que opera con hidrógeno y oxígeno, el agua es el único producto obtenido. 

En una pila de combustible de electrolito polimérico (PEMFC) que opera con hidrógeno y oxígeno, el agua es el único producto obtenido. 

Las pilas de combustible potencialmente podrían reemplazar los convertidores de energía hoy en día contaminantes. Su naturaleza modular hace que sean adecuadas para pequeños censores en el intervalo de los mW, así como en grandes plantas de potencia, con capacidad de varios MW. La tecnología de pilas de combustible puede reducir la contaminación global considerablemente.
Si el hidrógeno es producido mediante la electrólisis del agua, con energía eléctrica procedente de una fuente de energía alternativa, como por ejemplo, eólica o solar, las pilas de combustible pueden completar una cadena de energía sostenible, libre de contaminación. Las pilas de combustible y el hidrógeno jugarán un papel importante en el futuro del suministro y distribución de la energía.

Las pilas de combustible potencialmente podrían reemplazar los convertidores de energía hoy en día contaminantes.

Fundamentos de una pila de combustible

Una pila de combustible es un convertidor electroquímico de energía, que convierte la energía química en energía eléctrica, a través de dos reacciones electroquímicas separadas. En una pila de combustible de electrolito polimérico (PEMFC) alimentada por hidrógeno, éste es oxidado a protones y electrones en el ánodo. Los protones migran a través de la membrana electrolito hacia el cátodo. Debido a las propiedades aislantes de la membrana, los electrones son forzados a circular hacia el cátodo, a través de un circuito eléctrico externo. En el cátodo, el oxígeno reacciona con los protones para producir agua, que es el único subproducto obtenido a partir de una PEMFC alimentada por hidrógeno, como muestra la siguiente figura. 

En el cátodo, el oxígeno reacciona con los protones para producir agua, que es el único subproducto obtenido a partir de una PEMFC alimentada por hidrógeno. 

El hidrógeno es oxidado en el ánodo a protones: 

El hidrógeno es oxidado en el ánodo a protones 

mientras el oxígeno es reducido en el cátodo:

Mientras el oxígeno es reducido en el cátodo

La reacción total en la celda es:

La reacción total en la celda es:

A partir del hidrógeno y del oxígeno se obtiene electricidad, calor y agua. Otros tipos de pilas de combustible utilizan diferentes combustibles, electrolitos e iones para transferir la carga, pero el principio de funcionamiento es el mismo.
La fuerza impulsora en una pila de combustible es su afinidad por una menor energía libre (química). El hidrógeno y el oxígeno reaccionan espontáneamente formando agua mediante una reacción redox, la cual posee una energía libre menor que los reactantes (ver la siguiente figura) y es, por lo tanto, la situación de menor energía preferida por el sistema. Forzando a que esta oxidación y reducción tenga lugar en diferentes lados de un electrolito, la diferencia de energía química entre reactantes y productos puede ser convertida en energía eléctrica.

El hidrógeno y el oxígeno reaccionan espontáneamente formando agua mediante una reacción redox, la cual posee una energía libre menor que los reactantes.

El máximo voltaje operativo en una única celda es menor de 1V. Para tener una utilidad práctica muchas celdas deben operar conjuntamente. Esto se realiza conectando varias celdas en serie en lo que se llama un ”stack”. Variando el número y tamaño de las celdas, el sistema puede ser ajustado para cumplir los requerimientos exigidos por una aplicación concreta.


Teoría

Las pilas de combustible han llegado a ser interesantes, a causa de su bajo grado de contaminación y su elevada eficiencia teórica. Puesto que la energía química del combustible se convierte directamente en electricidad, las pilas de combustible no están sometidas a la eficiencia límite que impone el ciclo de Carnot, como los dispositivos de combustión y calor. Cuando la energía química es convertida en electricidad vía calor (mediante un proceso de combustión), la eficiencia máxima teórica está limitada por las temperaturas de operación: 

La eficiencia máxima teórica está limitada por las temperaturas de operación: 

Para las pilas de combustible, la eficiencia teórica puede expresarse, entre otras muchas maneras, como la relación entre la energía química disponible (el cambio de energía libre de Gibbs de la reacción que tiene lugar en la pila de combustible, DG) y el calor de la reacción que tiene lugar en la pila de combustible (el cambio de entalpía de la reacción que tiene lugar en la pila de combustible, DH).

Para las pilas de combustible, la eficiencia teórica puede expresarse, entre otras muchas maneras, como la relación entre la energía química disponible (el cambio de energía libre de Gibbs de la reacción que tiene lugar en la pila de combustible, DG) y el calor de la reacción que tiene lugar en la pila de combustible.

Por encima de un largo intervalo de temperatura y potencia, las pilas de combustible tienen una eficiencia potencialmente mayor que la tecnología basada en el ciclo de Carnot (ver Fig. Siguiente). Los motores de combustión son adecuados para un funcionamiento estático, ya que poseen una pequeña área en el intervalo de máxima potencia. Fuera de este intervalo, la eficiencia decae considerablemente. Sin embargo, las pilas de combustible poseen una alta eficiencia en un amplio intervalo de temperatura y potencia, siendo de esta manera perfectas para ciclos de carga dinámicos. Una alta eficiencia a cargas muy pequeñas es especialmente apreciada.

Las pilas de combustible poseen una alta eficiencia en un amplio intervalo de temperatura y potencia, siendo de esta manera perfectas para ciclos de carga dinámicos.

Para entender la diferencia entre estas dos tecnologías se puede considerar el caso de la conducción de un coche. Durante la conducción en carretera el motor de combustión opera en el intervalo de alta eficiencia, la parte derecha de la curva de color rojo. En ciudad, sin embargo, el automóvil para y arranca a menudo, lo que se corresponde con ir arriba y abajo en la parte izquierda de la curva de color rojo. Esto muestra lo mismo que el conocido hecho de que el tráfico en ciudad es más contaminante que el de carretera, debido a la baja eficiencia. Siguiendo con el mismo ejemplo, en el caso de una pila de combustible (curva de color verde) puede verse como ésta presenta su máxima eficiencia ya a una carga baja. Una pila de combustible operaría más favorablemente en ciudad, pero también de manera altamente eficiente bajo una carga constante.
Las pilas de combustible no siempre y para todas las aplicaciones poseen una eficiencia mayor que los motores de combustión. Para grandes aplicaciones estacionarias, en las que se usan pilas de combustible de alta temperatura (MCFC y SOFC), una combinación de las dos tecnologías comporta una cooperación perfecta. El exceso de calor procedente de la pila de combustible es utilizado para alimentar una turbina y extraer más potencia eléctrica.
Las pérdidas en una pila de combustible están relacionadas con la producción de potencia. Cuanto mayor es la potencia producida, mayores son las pérdidas. Esto puede verse al disminuir el voltaje desde su valor en circuito abierto con el aumento de corriente. Seguidamente se muestra una curva típica corriente-voltaje para una PEMFC alimentada por hidrógeno. 

Curva típica corriente-voltaje para una PEMFC alimentada por hidrógeno.  

Si no hubiera ninguna pérdida el voltaje de celda se mantendría en el valor teórico en circuito abierto, independientemente de la corriente que circulase por la celda. Este voltaje teórico (Erev) puede ser calculado a partir de la energía libre disponible, DG. 


Este voltaje teórico (Erev) puede ser calculado a partir de la energía libre disponible, DG.  

donde DG es la energía libre de Gibbs, n es el número de electrones transferidos en la reacción electroquímica y F es la constante de (94685 C/mole). El Erev depende también de las condiciones de operación, tales como la temperatura, la presión y la concentración de los reactantes. La diferencia entre el voltaje de celda teórico y el de operación se conoce como sobrevoltaje y representa las pérdidas en la pila de combustible. La relación entre el voltaje teórico, Erev y el actual, Ecelda, constituye una manera más correcta de expresar la eficiencia de la pila de combustible.

. La relación entre el voltaje teórico, Erev y el actual, Ecelda, constituye una manera más correcta de expresar la eficiencia de la pila de combustible.

Las pérdidas en una pila de combustible pueden dividirse en el crossover del combustible y corrientes internas, pérdidas por activación, óhmicas y por transporte de masa. Las primeras resultan del flujo de combustible y corriente eléctrica en el electrolito. Éste sólo debe transportar iones, pero siempre excite cierto flujo de combustible y electrones.
Las pérdidas por activación están causadas por la lentitud de las reacciones que tienen lugar en la superficie de los electrodos. Una porción del voltaje disminuye debido a la cinética de las reacciones electródicas. Esto puede verse en la parte izquierda de la curva corriente-voltaje mostrada anteriormente.
Las pérdidas óhmicas se deben directamente a la resistencia por causa del flujo de iones en el electrolito, a los electrones a través de la celda y a las interconexiones. En esta región la caída de voltaje básicamente es proporcional a la densidad de corriente, y se denomina caída óhmica.
Las pérdidas por transporte de masa son consecuencia de la disminución de la concentración de los reactantes en la superficie de los electrodos, debido a su consumo. A la máxima densidad de corriente (límite) la concentración de reactante en la superficie del electrodo es virtualmente cero; los reactantes son consumidos tan pronto como llegan al electrodo.

Una pila de combustible es un convertidor electroquímico de energía.

Componentes

La construcción de una pila de combustible en sí misma resulta simple, pues consta de muy pocas partes. Lo más importante son los electrodos y el electrolito. Además, se necesitan placas con canales de flujo para distribuir los reactantes homogéneamente por toda el área de la celda. La siguiente figura muestra los componentes de una pila de combustible de electrolito polimérico, PEMFC. 

Componentes de una pila de combustible de electrolito polimérico PEMFC

A continuación se proporciona una descripción general de todos los componentes y sus propiedades:

-Electrolito: El electrolito tiene tres funciones principales: conductor iónico, aislante electrónico y separador de los reactantes anódicos y catódicos. Los iones deben pasar a través de la membrana para mantener el equilibrio de cargas entre el ánodo y el cátodo. La especie iónica en concreto y su dirección varía según el tipo de pila de combustible. Como se ha descrito en los fundamentos, la idea básica de una pila de combustible es la separación de los reactantes y que las reacciones electroquímicas anódica y catódica tengan lugar separadamente. Cualquier flujo, corriente o reactantes a través del electrolito disminuirá las prestaciones de la celda. De aquí que estas propiedades tengan una gran influencia en la operación de la pila de combustible.

-Electrodos: Las reacciones electroquímicas tienen lugar en la superficie de los electrodos. El combustible es oxidado en el ánodo y el oxígeno es reducido en el cátodo. La combinación de una membrana y dos electrodos se conoce como conjunto electrodos/membrana o MEA (membrane electrode assembly). En el caso de pilas de combustible de baja temperatura se necesitan metales nobles para aumentar la velocidad de reacción. El platino es el catalizador más ampliamente utilizado, a veces en combinación con otros metales. Esto no es necesario a altas temperaturas, de modo que pueden utilizarse materiales y metales más baratos.

-Capas difusoras de gas (GDL): Las GDLs sólo se usan en pilas de combustible de baja temperatura. Son las responsables de la distribución de los reactantes hacia la superficie del electrodo y de eliminar los productos de la reacción. Una cuestión importante es la eliminación del agua del cátodo, por ejemplo, en una PEMFC. Las GDLs son optimizadas cambiando sus propiedades hidrofóbicas. Puesto que se colocan entre los electrodos y los colectores de corriente deben ser eléctricamente conductoras.

-Canales de flujo/placas bipolares: Las placas con canales de flujo aseguran la distribución del combustible y del oxidante por todo el área de la celda. Diferentes tipos de canales en forma de serpentín, paralelos e interdigitados se mecanizan en las placas por donde los gases, por ejemplo, hidrógeno y aire fluirán. Según el tipo de pila de combustible son de un material u otro. Por ejemplo, el grafito, acero inoxidable y plástico se utilizan para pilas de baja temperatura, mientras que los cerámicos se utilizan para las de alta temperatura. Además, pueden actuar como colectores de corriente.

A continuación se muestra un ejemplo de una monocelda con canales de flujo para los reactantes en forma de serpentín. La membrana electrolito, junto con los electrodos y las capas difusoras se encuentran entre las placas de grafito.

Para ser capaces de desarrollar sistemas que proporcionen una potencia elevada, se deben conectar varias celdas formando lo que se denomina un stack. En este caso las placas poseen canales a ambos lados y se denominan placas bipolares. Un esquema del funcionamiento de un stack se muestra más abajo. Hay tantos diseños de stacks como tipos de pilas de combustible y aplicaciones, dependiendo de las especificaciones (potencia de salida, calor, tamaño y geometría) Un ejemplo interesante es el de la pila de combustible de óxido sólido tubular de Siemens Westinghouse.

Pila de combustible de óxido sólido tubular de Siemens Westinghouse.

Un sistema completo que incluye una pila de combustible consiste en algo más que el stack propiamente dicho. El depósito de combustible, bombas, ventiladores y una unidad de control es lo mínimo para que la pila de combustible pueda operar. Los más complicados son los sistemas estacionarios, pero incluso pequeñas aplicaciones pueden conducir a grandes desafíos en el desarrollo del sistema.

Contrariamente a las baterías, el combustible se encuentra almacenado separadamente del convertidor de energía. La cantidad de combustible almacenada limita el tiempo de operación. El hidrógeno puede almacenarse en tanques presurizados, en hidruros metálicos o licuado. Los hidrocarburos pesados pueden también almacenarse y alimentados directamente a la celda o reformados a hidrógeno, dependiendo del tipo de pila de combustible o aplicación. En la mayor parte de los casos el oxidante o fuente de oxígeno es el aire de los alrededores. Bombas y ventiladores suministran a la pila de combustible el aire y el combustible desde el tanque.
Para algunas pilas de combustible la humedad del electrolito es crucial de cara a la conductividad protónica y, por extensión, las prestaciones totales. Por consiguiente, es necesario utilizar un humidificador de gases para controlar la humedad en la celda y en la membrana.
Aunque las pérdidas teóricas en una pila de combustible son bajas, durante su operación se producen cantidades considerables de calor. Si la eficiencia total del sistema es del 50%, se produce la misma cantidad de calor que de potencia eléctrica. Debido a esto es necesario un sistema de refrigeración, basado en agua o aire, para evitar un sobrecalentamiento.
Todos los componentes mencionados más arriba deben ser controlados por una unidad al efecto que asegure una operación estable y una producción de energía fiable del sistema en su conjunto.


Historia

Los primeros experimentos más conocidos sobre pilas de combustible fueron realizados en 1842 por el físico y abogado inglés, Sir William R. Grove (1811-1896). Conectando un ánodo de hidrógeno y un cátodo de oxígeno produjo una corriente eléctrica con el montaje experimental mostrado en la derecha. Grove fue el primero que construyó una pila de combustible efectiva, pero fue un científico alemán, Christian Friedrich Schoenbein (1799-1868), quien descubrió el efecto generador de electricidad de las pilas de combustible. Ya en enero de 1839 informó sobre la corriente producida mediante la combinación del hidrógeno y del oxígeno. Grove estuvo trabajando al mismo tiempo sobre este fenómeno e intercambiaron ideas y desarrollos en los años sucesivos. Mientras que Schoenebein se centró más en la parte fundamental del descubrimiento, Grove fue el ingeniero. La primera pila de combustible presentada por Grove en 1844/1845 (ver la siguiente Fig.), consistía en 10 celdas conectadas en serie y se alimentaba con el hidrógeno procedente de la corrosión del cinc en ácido. Desgraciadamente, el desarrollo de la dinamo en 1866 por Werner von Siemens ensombreció el descubrimiento de este prometedor convertidor de energía.


Los primeros experimentos más conocidos sobre pilas de combustible fueron realizados en 1842 por el físico y abogado inglés, Sir William R. Grove.

Wilhelm Ostwald (premio Nobel) dijo en 1884: “ La pila de combustible es una gran invención para la civilización, más que la máquina de vapor, y colocará pronto al generador siemens en los museos” En 1905 él y Nernst presentaron una teoría general sobre las pilas de combustible.
Debido a la fácil accesibilidad y grandes cantidades de petróleo y a la invención del motor de combustión interna (Carl Friedrich Benz y Gottlieb Daimler), las pilas de combustible fueron olvidadas hasta mediados del siglo XX, hasta que fueron rescatadas con el programa espacial Apolo de los USA (años 1960). El 21 de agosto de 1965, el Géminis 5 fue la primera lanzadera espacial en usar una pila de combustible de membrana polimérica para reemplazar la batería. Debido a las mejores prestaciones de las pilas de combustible alcalinas, éstas fueron desarrolladas en las misiones Apolo y proporcionaron la potencia eléctrica en el primer viaje tripulado a la Luna en 1969.
La primera crisis del petróleo en 1973 condujo al segundo renacimiento de las pilas de combustible, centrandose el interés en grandes plantas basadas en pilas de alta temperatura. El Profesor Karl Kordesch de la Universidad de Graz (Austria) fue uno de los pioneros en el campo de las pilas de combustible. Junto con sus colaboradores desarrolló en los años 1970 una motocicleta y un automóvil propulsado por una pila de combustible alcalina. Las últimas dos otras décadas la preocupación por la contaminación ambiental ha forzado a la sociedad mundial a buscar tecnologías energéticas limpias, de manera que las pilas de combustible han experimentado una mayor atención.
El desarrollo de la pilas de combustible ha sido ralentizado por el temor que inspira el hidrógeno, gas extremadamente explosivo y peligroso. La mayor parte de estas creencias se basan en el conocido accidente del zeppelin “Hindenburg” en 1937, el cual se incendió y partió en Lakehurst (USA), muriendo 35 de los 97 pasajeros, en lo que se atribuyó a una explosión del hidrógeno. Sin embargo, la razón real del incendio fue debido a una pintura explosiva, combinación de aluminio y hierro. Muchos de los pasajeros murieron al saltar del dirigible, y no como consecuencia de las llamas. Contrariamente a la mayoría de otros compuestos, el hidrógeno es más ligero que el aire, de manera que cuando ocurre una fuga se dispersa rápidamente y no forma una mezcla explosiva. No es tóxico y es menos inflamable que la gasolina.
La preocupación por la contaminación ambiental ha conducido a la búsqueda de alternativas energéticas limpias. Junto con otras energías renovables, tales como la fotovoltaica, la hidráulica y la eólica, las pilas de combustible han experimentado un interés creciente por parte de los gobiernos y de las industrias. Las emisiones de CO2 y su influencia en el calentamiento global han forzado a la industria del automóvil a buscar alternativas para reemplazar los motores de combustión interna. Cada año se gastan varios billones de dólares en investigación y desarrollo. Se han presentado prototipos para todos los tipos de aplicaciones, con objeto de demostrar su viabilidad tecnológica y económica. Si embargo, queda todavía mucho camino por recorrer antes de que sea posible una amplia introducción de las pilas de combustible en el mercado.

Las pilas de combustible han llegado a ser interesantes, a causa de su bajo grado de contaminación y su elevada eficiencia teórica.




Fuente: The Fuel Cell Way -Fuel Cell Norway ANS



Así funciona una pila de combustible

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