Pilas de combustible

¿Qué es ?

Es un mecanismo electroquímico en el cual la energía de una reacción química se convierte directamente en electricidad. A diferencia de la pila eléctrica o batería, una pila de combustible no se acaba ni necesita ser recargada; funciona mientras el combustible y el oxidante le sean suministrados desde fuera de la pila.

¿En qué consiste ?

Una pila de combustible consiste en un ánodo en el que se inyecta el combustible y un cátodo en el que se introduce un oxidante. Los dos electrodos de una pila de combustible están separados por un electrólito iónico conductor. En el caso de una pila de combustible de hidrógeno-oxígeno con un electrólito de hidróxido de metal alcalino, la reacción del ánodo es 2H2 + 4OH- ! 4H 2O + 4e- y la reacción del cátodo es O2 + 2H2O + 4e- ! 4OH-. Los electrones generados en el ánodo se mueven por un circuito externo que contiene la carga y pasan al cátodo. Los iones OH- generados en el cátodo son conducidos por el electrólito al ánodo, donde se combinan con el hidrógeno y forman agua. El voltaje de la pila de combustible en este caso es de unos 1,2 V pero disminuye conforme aumenta la carga. El agua producida en el ánodo debe ser extraída continuamente para evitar que inunde la pila.

¿Cuál es el ánodo y cuál es el cátodo ?

El ánodo suele ser hidrógeno, amoníaco o hidracina y el cátodo aire u oxígeno.

Los proyectos y sus ventajas.

Actualmente se están desarrollando las pilas de combustible con electrólitos de carbonato fundido. El electrólito es sólido a temperatura ambiente, pero a la temperatura de operación (650 a 800 °C), es un líquido con iones carbonato conductores. Este sistema tiene la ventaja de utilizar monóxido de carbono como combustible, por lo que pueden utilizarse como combustible mezclas de monóxido de carbono e hidrógeno como las que se producen en un gasificador de carbón.

También se están desarrollando pilas de combustible que emplean dióxido de circonio sólido como electrólito. Estas pilas se llaman pilas de combustible de óxido sólido. El dióxido de circonio se convierte en un conductor iónico a unos 1.000 °C. Los combustibles más adecuados son el hidrógeno, el monóxido de carbono y el metano, y al cátodo se le suministra aire u oxígeno. La elevada temperatura de operación de las pilas de combustible de óxido sólido permite el uso directo de metano, un combustible que no requiere catalizadores costosos de platino sobre el ánodo. Las pilas de combustible de óxido sólido tienen la ventaja de ser relativamente insensibles a los contaminantes del combustible, como los compuestos de azufre y nitrógeno que empeoran el rendimiento de otros sistemas de combustible.

La temperatura relativamente elevada de operación de las pilas de combustible de carbonato fundido y óxido sólido facilitan la eliminación en forma de vapor del agua producida por la reacción. En las pilas de combustible de baja temperatura se deben tomar medidas para eliminar el agua líquida de la cámara del ánodo.

Esquema y funcionamiento

Esquema de la estructura y funcionamiento de una pila de combustible. El hidrógeno fluye hacia el ánodo donde un catalizador como el platino facilita su conversión en electrones y protones (H+). Estos atraviesan la membrana electrolítica para combinarse con el oxígeno y los electrones en el lado del cátodo (una reacción catalizada también por el platino). Los electrones, que no pueden atravesar la membrana de electrolito, fluyen del ánodo al cátodo a través de un circuito externo y alimentan nuestros dispositivos eléctricos. La figura muestra una sola celda electroquímica que produce aproximadamente 1 Voltio. Para aplicaciones de potencia se apilan muchas de estas celdas para formar la pila de combustible, cuyo voltaje aumenta en proporción al número de celdas apiladas.

Tipos de pilas de combustible

Pila De Acido Fosfórico (Pafc)
Este es el tipo de pila más desarrollado a nivel comercial. Estas pilas de ácido fosfórico (H3PO4), generan electricidad a más del 40% de eficiencia y cerca del 85 % si el vapor producido es empleado en cogeneración, comparado con el 30% de la más eficiente máquina de combustión interna este es un rendimiento más que óptimo.
Las temperaturas de operación se encuentran entre los 180 a 210 °C. Su uso es muy apropiado para generación estacionaria o móvil de gran dimensión como camiones, embarcaciones o trenes.
Existen en producción comercial unidades de alrededor de 200 kW. Cuenta con la desventajas de requerir metales nobles en el catalizador. Utiliza H2 como combustible y tolera el CO2.

Pila De Polimero Solido O Membrana De Intercambio Protónico (Pem)
Estas celdas operan a relativamente bajas temperaturas, alrededor de los 95 °C, tienen una densidad de potencia alta, pueden variar su potencia de salida rápidamente para satisfacer cambios en la demanda de potencia y son adecuadas para aplicaciones donde se requiere una demanda inicial rápida, tal como el caso de los automóviles. De acuerdo con el Departamento de Energía de EE.UU., son las principales candidatas para vehículos ligeros, edificios y potencialmente para otras aplicaciones mucho mas pequeñas como las baterías recargables de las videocámaras.

Pila de carbonato fundido (mcfcs).
Las pilas de combustible de carbonato fundido (Li2CO3 - K2CO3 - Na2CO3) prometen altas eficiencias combustible-electricidad y la habilidad para consumir combustibles base carbono (CO Y H2). Esta celda opera a temperaturas del orden de los 600 a 700°C, lo que hace que sea aprovechado altamente el calor.
Estas pilas pueden operar desde el 25% al 125% de la capacidad nominal de la planta. Según los datos del plan preliminares (EPRI, 1992), una planta de 2MW de potencia de carbonato fundido tendrá una superficie de 511 m² (5,500 ft²) y puede instalarse al aire libre o interior. Las pilas de combustible de carbonato fundido necesitan más de 16 horas para alcanzar el rendimiento óptimo desde su estando en frío. Si se mantuvo en estado de espera, tomará aproximadamente un minuto alcanzar el pleno rendimiento..
Otra de las ventajas es que no requiere metales nobles y utiliza el CO como combustible.

Pila de óxido sólido (sofc).
Otra pila de combustible altamente prometedora, la pila de combustible de óxido sólido (ZrO2)85(CaO)15, podría ser usada en aplicaciones grandes de alta potencia incluyendo estaciones de generación de energía eléctrica a gran escala e industrial. Algunas organizaciones que desarrollan este tipo de celdas de combustible también prevén el uso de estas en vehículos motores. Una prueba de 100 KW está siendo terminada en Europa mientras que dos pequeñas unidades de 25 KW se encuentran ya en línea en Japón.
Un sistema de óxido sólido normalmente utiliza un material duro cerámico en lugar de un electrólito líquido permitiendo que la temperatura de operación alcance los 1.000 °C a presiones atmosféricas. Las eficiencias de generación de potencia puede alcanzar un 60% si bien las altas temperaturas originan problemas serios en los materiales que conforman las pilas, también las hacen muy atractivas para la cogeneración, haciendo que su rendimiento sea muy superior. El combustible que utiliza es H2 y CO2.
La conversión directa de hidrocarburos en energía eléctrica en instalaciones estacionarias de gran potencia ofrece ventajas considerables. Las altas temperaturas permiten que las reacciones que tienen lugar en los electrodos, inhibidas en parte cinéticamente por las temperaturas reducidas, se desarrollen a mayor velocidad. Además, a altas temperaturas, disminuye considerablemente la propensión al envenenamiento de los catalizadores. A temperaturas de 550°C a 750°C se trabaja con electrólitos formados por carbonatos fundidos.
A temperaturas comprendidas entre 800°C y 1000°C se utilizan electrólitos sólidos de dióxido de circonio-óxido de calcio, pues éstos presentan una buena conductividad iónica a temperaturas elevadas.

Pilas Hidrógeno-Oxígeno
En el campo de las pilas de combustible de media temperatura, el desarrollo de los electrodos y de las baterías fue impulsado decisivamente por los innovadores trabajos de Bacon. Este científico desarrolló una pila de combustible hidrógeno-oxígeno con electrodos de doble capa sintetizados de níquel-carbonilo. Los ánodos de hidrógeno de estas pilas se impregnaban de sales de níquel y se reducían, sometiéndolos a una corriente de hidrógeno, hasta alcanzar la actividad catalítica deseada. Los cátodos de oxígeno se impregnaban con litio y se preoxidaban. Como resultado de ello se obtenía un óxido de níquel semiconductor que se. caracterizaba por una elevada actividad catalítica y por una buena resistencia a la corrosión.
Uno de los inconvenientes de las pilas de combustible es que sólo pueden suministrar una tensión pequeña, de aproximadamente 1 V, y una corriente cuya intensidad depende del tamaño de los electrodos y de la calidad de los catalizadores. Sin embargo, actualmente ya se alcanzan densidades de corriente de 250 a 400 mA/cm con electrodos no aglomerados obtenidos por sedimentación
Para alcanzar una tensión elevada deben conectarse las pilas en serie y a fin de aumentar la intensidad de la corriente han de conectarse en paralelo.

Sir William Robert Grove 
(1811 - 1896), jurista de profesión y físico de vocación. 

Grove usó cuatro celdas grandes, con H2 y O2 para producir energía eléctrica que a su vez se podía usar para generar hidrógeno y oxígeno (en la celda superior, más pequeña).