Pilas de Combustible

Ciencia de Materiales

7/10/2014

PILAS DE COMBUSTIBLE Sara Marina Barbier

Las pilas de combustible son dispositivos electroquímicos que convierten de forma eficiente la energía química, generada por una fuente de combustible, en energía eléctrica. En los últimos años, se han llevado a cabo grades progresos en la investigación y desarrollo de estos sistemas debido a la demanda global de energía eléctrica y a la necesidad de producir una energía más limpia y segura. En comparación con los métodos tradicionales de generación energética basados principalmente en la combustión de combustibles fósiles, estas presentan una elevada eficiencia y muy bajas emisiones de gases de efecto invernadero.

1.- Introducción. Estos dispositivos, aunque en un principio puedan parecer sistemas innovadores, la primera referencia a la pila de combustible tal y como la conocemos data del 1842. La pila de William Grove marca el principio de la energía electroquímica, al demostrar la posibilidad de generar energía a partir de una reacción electroquímica entre hidrogeno y oxígeno. Desde esa fecha hasta hoy en día, no se volvió a hablar de las pilas de combustible, debido al incremento en la demanda energética que llevo a la producción de tecnologías basadas en el teorema de Carnot, como el motor de combustión interna para una rápida explotación del petróleo. A mediados del siglo XX, se retoma la vía electroquímica según la propuesta original de Grove y las pilas de combustible se convierten en materia de investigación y desarrollo. En 1954 Fracis Bacon construye una pila de combustible alcalina, que capta el interés de la NASA, que decide emplearlas en las misiones espaciales Géminis y Apolo, como generador compacto de electricidad. Esta pila era capaz de proveer de energía los sistemas electrónicos de la nave, además de generar agua para el consumo de sus tripulantes. i,ii A partir de los éxitos obtenidos por la NASA y de la Crisis del petróleo de 1973, se pensó en las pilas de combustible como una solución a los problemas energéticos, debido a su potencial para reducir el impacto medioambiental mediante la generación de electricidad con cero emisiones, además de una elevada eficiencia y un aumento de la seguridad energética.

2.- Composición y funcionamiento. Las pilas de combustible son reactores electroquímicos donde la energía química se transforma en electricidad sin que se lleve a cabo ningún proceso de combustión. Son

sistemas termodinámicos abiertos en los cuales se produce energía eléctrica continua por medio del suministro externo de combustible. Una pila está formada por la conexión en paralelo de celdas para lograr el voltaje y la corriente requerida. Una celda de combustible básicamente consiste en una membrana de electrolito y dos electrodos revestidos con un catalizador que componen lo que se denomina Conjunto de electrodo de Membrana. La función del electrolito es la base de la tecnología de la pila de combustible. La membrana de electrolito puede ser de naturaleza solida o liquida dependiendo del tipo de pila, y su función se basa en separar en dos compartimentos la pila; en actuar como conductor iónico, proceso que es activado térmicamente, y como aislante eléctrico. El ánodo, en primer lugar, es el encargado de conducir los electrones liberados del combustible en la superficie del catalizador de manera que puedan ser empleados en un circuito externo. A continuación, la membrana permite el paso de las cargas selectivamente a lo largo de las dos secciones de la celda. El cátodo, finalmente, reconduce los electrones libres del circuito externo al catalizador, donde se recombinan con los protones y el gas oxidante para formar agua o dióxido de carbono normalmente Este conjunto de membranas se encuentra rodeado por platos bipolares formados por canales encargados de introducir los gases de reacción, de retirar el agua formada y de conducir los electrones libres del ánodo al cátodo.2,iii Toda reacción electroquímica en una pila de combustible consiste en dos reacciones separadas de óxido-reducción. Estas semirreacciones ocurren de manera muy lenta, y por ello se requiere de la presencia de una membrana de catalizador que acelere la reacción entre el combustible y el gas oxidante. La membrana debe ser rugosa y porosa de manera que el máximo área superficial del catalizador sea expuesto a la reacción.

Ciencia de Materiales

Figura 1. Componentes de una celda de combustible.

3.- Combustible. iv Los combustibles primarios que se emplean en el funcionamiento de estos dispositivos son el hidrogeno, el monóxido de carbono, el metanol, diésel, etc. El hidrogeno es el combustible óptimo para todos los tipos de celdas. A pesar de ser un elemento abundante en la naturaleza, no es una fuente de energía primaria, y necesita de otras fuentes y procesos de producción para su obtención, como por ejemplo a partir del reformado de combustibles fósiles o la electrolisis del agua. El empleo del hidrogeno como combustible tiene grandes beneficios sobre las tecnologías convencionales basadas en la combustión, ya que producen cantidades menores de gases de efecto invernadero, o incluso, en los casos en los que se emplee hidrogeno puro, únicamente vapor de agua. Además, puede obtenerse a partir de un amplio abanico de recursos naturales utilizando cualquier fuente de energía, con lo que no sería necesaria su importación. No obstante, todo tiene sus desventajas, y en el caso de las pilas de combustible es el costo, debido a que las pilas requieren un hidrogeno muy puro libre de impurezas, para evitar el envenenamiento de los catalizadores. Además, tanto su almacenamiento como su trasporte resultan muy caros, ya que son tecnologías poco desarrolladas.

4.- Tipos de pilas.v Existen gran variedad de pilas de combustible, que se caracteriza por el tipo de electrolito empleado, la temperatura de operación y su eficiencia pero a continuación solo se consideraran aquellas que emplean electrolitos sólidos, las PEMFCs (Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cells) y las SOFCs (Solid Oxide Fuel Cells). Las PEMFC trabajan con una membrana de

7/10/2014 polímero solido (solido polimérico) conductora de iones hidronio, a una temperatura de operación baja (80-95 oC) y con una eficiencia eléctrica entre 40-60%. Son las que ofrecen mayor flexibilidad y versatilidad, y sus aplicaciones van desde la alimentación de pequeños aparatos portátiles, hasta sistemas de generación doméstica. Por otro lado, las SOFC utilizan como electrolito membranas de óxidos metálicos (solido cerámico) conductoras de iones oxido, requieren de temperatura de trabajo altas, entorno a los 800-1000 oC, para alcanzar una conductividad iónica aceptable, y presentan una eficiencia eléctrica entre 50-60 %. Este tipo de pilas tienen un futuro prometedor como generadores eléctricos La principal función de una membrana de electrolito se basa en presentar una alta conductividad iónica que permita el paso de la zona anódica de la pila a la catódica. Su conductividad aumenta fuertemente con la temperatura, porque los iones disponen de mayor hueco para moverse, porque aumenta el número de defectos o vacantes en la red de la membrana, y porque los iones poseen más energía para superar la barrera de potencial pequeña.

5.- Eficiencia. Uno de los mayores beneficios de las pilas de combustible es la elevada eficiencia energética. En un generador convencional, la energía química del combustible se transforma en energía térmica, después en energía mecánica y finalmente en eléctrica, lo que supone una reducción de la eficiencia en cada transformación de calor a energía mecánica En cambio, las pilas de combustible son dispositivos electroquímicos que transforman directamente los combustibles en energía eléctrica, sin la necesidad de una combustión, ofreciendo una mayor eficiencia en el empleo de hidrocarburos como combustible.

Ciencia de Materiales

7/10/2014

Figura 2. Comparación de la eficiencia. Estas presentan un espectro de eficiencia y potencia mucho más amplio que otros métodos de producción energética. La eficiencia que se puede alcanzar con una pila de combustible en la mayoría de los casos es superior al 50%, mientras que en un generador de combustión es inferior al 30%. Es decir con la misma cantidad de combustible se podría obtener, a partir de una pila de combustible, hasta casi tres veces más de electricidad que con un generador convencional.

i

Collecting the History of Fuel Cells, Smithsonian, National Museum of American Hystory ii L. Carrette, K. A. Friedrich, U. Stimming, Fuel Cells. Fundamentals and Applications, 2001 iii

Guervos Sanchez M. E., Tecnología para el Hidrogeno: Pila de Combustible, 2003 iv Asensio P., Hidrogeno y Pila de Combustible, Fundación de la Energía de la Comunidad de Madrid. v U.S. Department of Energy, Energy Efficiency and Renewable Energy.

6.- Aplicaciones Son múltiples las aplicaciones de estos dispositivos, como generadores portátiles de energía o como generadores estacionarios de energía, por ejemplo para uso residencial. Además, cada vez son más empleados en el ámbito de la automoción como una alternativa limpia y silenciosa a los actuales motores de combustión interna.

vi

Sossina M. Haile, Fuel Cell Materials and Components, California Institute of Technology, 2003 vii Fuel Cell Organization. viii Basu S., Recent Trends in Fuel Cell Science and Technology, Springer, 2007 ix Pilas de Combustible, ICMA. x Fuel Cell Energy, Ultra- Clean, Efficient, Reliable Power. xi Fuel Cells, Wikipedia.