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A principio del siglo XIX se introduce el concepto de pila de combustible por Sir Humphrey Davy. Poco después, en 1838, Sir William Grove descubrió que la electricidad puede generarse mediante la inversión del electrolisis del agua al utilizar oxígeno e hidrógeno, esto dio pie al invento de la primera pila de combustible. En inglés se denominó “fuel cell”.

El término “celda de combustible” fue utilizado por primera vez medio siglo después por Mond & Langer. La primera celda de combustible comercial fue utilizada por General Electric mediante la NASA en el proyecto espacial Gemini.

La pila de combustible, o celda de combustible, es una fuente de conversión directa de energía electroquímica a energía eléctrica. Esta transforma la energía química de combustibles, como el hidrógeno o el metanol, en electricidad de corriente continua. Esto lo consigue utilizando medios electroquímicos con el oxígeno del aire.

La energía del hidrógeno es totalmente limpia, ya que no implica combustión. Los componentes de la reacción electroquímica son el agua y el calor. La eficiencia, las bajas emisiones químicas, menor ruido que un generador de combustión interna son algunas de sus características.

Los tipos de pilas de combustible

Los diferentes tipos de celdas de combustible han tenido una diferente evolución debido a la complejidad de su tecnología y a las diferentes aplicaciones. Los usos son variados como por ejemplo: los dispositivos electrónicos portátiles, sistemas de generación de energía renovable, y la industria automotriz.

Se pueden destacar seis tipos principales de pilas de combustible:

    • Pila de combustible de ácido fosfórico (PAFC)
    • Pila de combustible de carbonato fundido (MCFC)
    • Pila de combustible de membrana de intercambio de protones (PEMFC)
    • Pila de combustible de metanol directo (DMFC)
    • Pila de combustible de óxido metálico sólido (SOFC)
    • Alcalinas (AFC)

La pila de combustible PEM

La tecnología de las células PEM está basado en la Membrana de intercambio de protones. Su electrolito está constituido por una membrana de un polímero especial que conduce los protones (H+).

Actualmente, el polímero más utilizado para este tipo de pilas de combustible es el Nafion. El nafion es un polímero que en presencia de agua se convierte en un excelente conductor protónico. El nafion es un polímero perfluorado (con átomos de flúor) en lugar de hidrógeno) con grupos sulfonatos polares. Está compuesto por cadenas de tipo teflón de las cuales derivan cadenas laterales con grupos iónicos.

Las células de combustible PEM reemplazan al asbesto. Tienen cualidades interesantes como que la permeabilidad a los gases de un PEM es mucho menor que la del amianto.

Es una de las tecnologías prometedoras para la producción de hidrógeno, entre las ventajas que presenta son: la baja temperatura de funcionamiento, respuesta rápida, la alta eficiencia, alta densidad de potencia, el diseño compacto, la alta presión de salida, capacidad de inicio rápido, bajo nivel de ruido.

La principal desventaja para el uso extendido de este tipo de tecnología es el coste debido a los metales preciosos utilizados como electro catalizador para la electrólisis, lo que hace que el coste sea mayor que la electrolisis alcalina.

Diversas investigaciones han realizado mejoras en los materiales de los electrodos para la reducción del coste de las PEM. Adicional el empleo para sistema de generación de energías renovables, las PEM se utilizan en el transporte como autobuses, automóviles y dispositivos electrónicos portátiles como ordenadores y teléfonos.

A continuación, se muestra el esquema básico de una pila de combustible tipo PEM. La parte principal es el conjunto membrana y electrodos conocido con el termino MEA (Membrane Electrode Assembly). A cada lado de la membrana tiene un electrodo. El electrodo positivo se encuentra en el cátodo donde se produce la reacción de oxidación del combustible y el electrodo negativo, ánodo se produce la oxidación de comburente.

El material que la forma es poroso sobre la cual se distribuye homogéneamente las partículas del catalizador, en los electrodos se usa pequeñas partículas de platino como catalizador.pi

Esquema de una pila de combustible PEM.

Las reacciones químicas que se producen en una PEM son:

Á𝑛𝑜𝑑𝑜:2𝐻2=>4𝐻++4𝑒− 𝐶á𝑡𝑜𝑑𝑜:𝑂2 +4𝐻++4𝑒− >=2𝐻2𝑂

𝐸𝑐𝑢𝑎𝑐𝑖𝑜𝑛: 2𝐻2+ 𝑂2=>2𝐻2𝑂

Pila de combustible de metanol

Combustibles líquidos como el etanol que poseen una alta densidad energética son utilizados como alternativa al uso de hidrógeno como combustible.

Las celdas de combustible de metanol directo (DMFC) son una tecnología que ofrece una menor densidad de potencia y eficiencia respecto a una PEMFC / H2, pero tienen una mayor simplicidad adicional a una mayor densidad de energía.

Pila de combustible SOFC

Las células SOFC (oxido metálico fuel cell) es uno de los tipos de celdas de combustibles eficientes donde producen electricidad directamente de un combustible.

Entre las ventajas de este tipo de tecnología es pertenecer a los combustibles flexibles, adecuados para cualquier sistema combinado para generación de hidrógeno, energía y refrigeración o calefacción. Por otro lado, entre las desventajas que presentan es la degradación de los componentes por corrosión debido a la alta temperatura de funcionamiento y un mayor tiempo de arranque.

La temperatura de operación es de 600 a 1000 °C. A estas temperaturas se produce una gran conductividad iónica del electrolito debido a la movilidad de los aniones oxígeno.

Las celda de combustible de carbonato fundido MCFC es una opción para generación de electricidad con un gran potencial, pero aún está en fase de investigación acerca del tiempo de vida para demostrar la sostenibilidad económica para competir con otro tipo de tecnologías probadas. Este tipo de tecnología es utilizado en sistemas híbridos con generadores de biomasa.

Las partes activas del elemento son el cátodo, ánodo y matriz que es donde se empapan los carbonatos. En el ensamblaje de la pila se utiliza varios elementos de aceros especiales como colectores anódicos y catódicos, placa de presión, placas bipolares entre otras.

Este tipo de celda de combustible trabaja a altas temperatura aproximadamente 650 °C. La eficiencia energética de la celda de combustible es superior al 80%, con gas natural se logra una eficiencia de hasta el 52%. La eficiencia eléctrica típica de los sistemas MC es aproximadamente el 47% mientras la eficiencia térmica varia del 30 al 35%.

Pila de combustible de ácido fosfórico PAFC

Las pilas de combustible de ácido fosfórico PAFC en sus inicios se utilizaron como celdas de combustible para la calefacción en la década del 70.

Alrededor de 400 sistemas de mediana escala (85 MW) han sido utilizados para cogeneración y están en funcionamiento especialmente en Alemania, Estados Unidos y Japón. Actualmente la tecnología no se ha distribuido al sector residencial. Sin embargo se ha realizado sistemas de demostración a pequeña escala de 1kW. La temperatura de funcionamiento es del alrededor de 220 °C.

Pila de combustible alcalina AFC

Las células de combustible alcalinas AFC se desarrollaron a inicios del siglo XX están operadas con una solución electrolítica líquida de hidróxido de potasio o hidróxido de sodio que es retenida en una matriz tradicionalmente de asbesto, debido a la naturaleza conductora de todos los hidróxidos alcalinos.

La pila de combustible AFC es estructuralmente similar a la de las celdas de combustible PEM. Posee diversos catalizadores como oro, plata, platino, níquel y óxidos metálicos. Sin embargo, presenta la diferencia que tiene una membrana de intercambio de aniones en el AEMFC en lugar de una membrana de intercambio de protones.

Entre las ventajas que presenta esta las temperaturas de funcionamiento menor a 120 °C generalmente trabajan entre 23 y 70 °C . A su vez, presenta algunos inconvenientes como que este tipo de pilas de combustible tiene un líquido electrolito que reacciona con los bicarbonatos formadores de dióxido de carbono y las sales de carbonato.

Comparación de tipos de pilas de combustible

 

Tipo

Electrolito

Temp. Operación [°C]

Potencia

Eficiencia

Aplicaciones

PEM

Polímero compuesto por ácido perfluorosulfónico

< 120

< 1kW – 100kW

60%

Portátiles, Transporte, Vehículos

DMFC

Carbonatos alcalinos

600-700

40kW – 125kW

60%

Industria,

Transporte

SOFC

Zirconia estabilizada con ytrio

500-1000

1kW – 2MW

60%

Sistema auxiliar en automóviles, Generación de electricidad y calor

MCFC

Aleación de níquel

600-700

10kW – 2MW

60%

Generación centralizada de energía eléctrica para aplicaciones industriales

PAFC

Ácido fosfórico

150-205

50kW – 400kW

40%

Aplicaciones estacionarias

AFC

Mezcla fundida de hidróxido de potasio

< 100

1kW – 100kW

70%

Misiones espaciales y/o militares, Transporte

 

 

Modelado de la pila de combustible

A través de las investigaciones se han presentado varios modelos de pilas combustibles. Algunos casos han logrado una gran aceptación por parte de la comunidad científica internacional.

El modelado se utiliza para predecir el rendimiento del elemento, emulando correctamente los datos experimentales tales como la alta densidad de corriente, presión, temperatura y humidificación.

Paduelle, mediante un software comercial presenta un modelo reducido de la pila de combustible, en el trabajo diseña un modelo dinámico de un sistema de energía para satisfacer los requisitos dinámicos de la red y una operación de celda segura. En su estudio, los autores realizan una serie de simplificaciones que son la base de nuevos modelos reducidos.

Mediante la ecuación de Nersnt y Butler-Volmer, se calcula el potencial de equilibrio termodinámico y la cinética de reacción respectivamente. Posteriormente, se resuelve de forma numérica el modelo donde se analiza el rendimiento de la celda de combustible y el transporte de agua en un rango de densidades de operación de corriente.

Herramientas como la dinámica de fluidos computacionales (CFD) puede simular con precisión los principales fenómenos de transporte que sucede en una PEM. Existe otros modelos utilizan OpenFOAM (Open Field Operation and Manipulation) que es un software gratuito de CFD y de código abierto. Este software específico está desarrollado principalmente por OpenFoam Ltd

El modelado matemático de una celda de combustible PEM es de vital importancia ante la dificultad de encontrar estimaciones experimentales del rendimiento real de la pila de combustible. Esto se debe a la dificultad de medición de las diversas variables, fenómenos y condiciones operativas que se presentan tales como la presión del combustible, humedad del combustible y temperatura de trabajo.

Para calcular la tensión de salida 𝑉𝑓𝑐 se utiliza la ecuación. El resultado se logra a través de la tensión desarrollada en el interior de la FC y los huecos de tensión.

𝑉𝑓𝑐=𝐸𝑂𝐶−𝑉𝑎𝑐𝑡−𝑉𝑜ℎ𝑚=𝐸𝑜𝑐−𝑁𝐴𝑙𝑛(𝑖𝑓𝑐𝑖𝑜)−𝑅𝑖𝑓𝑐

donde 𝐸𝑂𝐶 (V) es la tensión a circuito abierto, 𝑖𝑜(A) es la corriente de intercambio, A (V) es la pendiente de Tafel, N es el número de céldas, 𝑖𝑓𝑐 (𝐴) es la corriente de salida de la pila de combustible y R (Ω) es la resistencia de la celda.

Un modelo de pila de celdas de combustible de membrana de intercambio de protones (PEM) se puede encontrar en Mathwork, el bloque es desarrollado por Olivier Tremblay de la Escuela de Tecnología Superior, Montreal.

Curiosidades de la pila de combustible

El vehículo eléctrico más grande del mundo utilizará una batería de iones de litio y una pila de combustible de hidrógeno.

Se encuentra en fase de desarrollo y comenzará sus pruebas en la mina de metales en Mogalakwena (Sudáfrica) a finales de 2020.

El vehículo no es completamente eléctrico, sino que se trata de un híbrido que estará impulsado tanto por energía eléctrica como por hidrógeno: no en vano, este camión minero tiene una masa total de 290 toneladas.

El constructor, Anglo American, no solo quiere reducir el consumo del vehículo y que también sea más barato de mantener, sino también propiciar que este sea menos ruidoso que su homólogo impulsado por diesel.

Complementar la batería del vehículo con celdas de combustible de hidrógeno permitirá que el camión funcione por períodos más largos sin recargarse.

La batería de iones de litio junto a la pila de combustible de hidrógeno le proporcionará al camión un almacenamiento de energía de hasta 1 000 kilovatios-hora. Esto le permitirá trabajar en los mismos ambientes hostiles que un camión de transporte a diesel. El camión también tendrá un frenado regenerativo, lo que permitirá que el vehículo conserve y recupere energía mientras desciende.

3 Falsos mitos de la pila de combustible

El hidrógeno es un combustible peligroso

Según la marca de coches coreana Hyundai, el hidrógeno es tan seguro como la gasolina. Para garantizar la máxima seguridad de todos los ocupantes, los depósitos de hidrógeno utilizados para automoción son sometidos a exigentes pruebas.

De hecho, estos depósitos para hidrógeno sufren disparos, son quemados y expuestos al ácido sin que se produzca ningún tipo de explosión.

El hidrógeno es un combustible sucio

Los vehículos de pila de combustible de hidrógeno no contaminan. Más aún, el hidrógeno se puede producir utilizando fuentes renovables como la energía solar.

Así se eliminan las emisiones de partículas y de gases de efecto invernadero. Además, los vehículos alimentados con energía de hidrógeno utilizan el aire contaminado del exterior para su funcionamiento y, a cambio, sólo emiten vapor de agua. Se podría decir, que purifican el aire y tienen un impacto ambiental positivo.

Las pilas de combustible de hidrógeno son muy caras

Con el paso del tiempo, las nuevas técnicas de fabricación reducirán los costes, de la misma forma que ha ocurrido con sectores como la computación. En la actualidad, cualquier persona puede adquirir un ordenador personal por un coste muy reducido, cuando hace unos años estos productos sólo eran accesibles a grandes corporaciones. Con la pila de combustible ocurrirá exactamente lo mismo.

La central de energía termosolar más grande del mundo se encuentra en California (EEUU).  Los más de 300.000 espejos, colocados en círculos concéntricos alrededor de las tres torres, concentran la radiación solar para generar 392 MW.

La alimentación de las calderas de biomasa se realizan mediante un contenedor dónde es almacenado el biocombustible. Desde este contenedor sale un tornillo sin fin que conduce la biomasa al interior de la caldera donde sucederá la combustión.

La energía eólica constituye la segunda fuente de generación en España y se ha consolidado como una de las energías renovables más importantes a nivel mundial. Como todos los tipos presenta ventajas e inconvenientes que deben ser analizados.

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Alvaro Ruiz