Pila de combustible 1 Pila de combustible Pila de hidrógeno. La celda en sí es la estructura cúbica del centro de la imagen. Una pila de combustible, también llamada célula 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 cómo 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. El fabricante de automóviles japonés Honda, la única firma que ha obtenido la homologación para comercializar su vehículo impulsado por este sistema, el FCX Clarity, en Japón y Estados Unidos, ha desarrollado también la Home Energy Station, (HES), un sistema autónomo y doméstico que permite obtener hidrógeno a partir de energía solar para repostar vehículos de pila de combustible y aprovechar el proceso para generar electricidad y agua caliente para el hogar.
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Consideraciones de diseño en las celdas de combustible
• Costos. 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. Uno de los objetivos más importantes en la
investigación sobre células de combustible es la adecuada gestión del agua.
• 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 una relación 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 estacionarios requieren
normalmente más de 40.000 horas operativas fiables a una temperatura de -35 °C a 40 °C, mientras que lascélulas de combustible para automoción requieren al menos de 5.000 horas (el equivalente a unos 200.000
kilómetros) bajo temperaturas extremas. (Véase: Vehículo de hidrógeno). Las aplicaciones para automoción
deben además permitir el arranque en frío hasta -30 °C y poseer una alta potencia por unidad de volumen
(típicamente 2.5 kW por litro).
• Tolerancia limitada al CO (monóxido de carbono).
El rendimiento de las células de combustible, a diferencia de los motores de combustión (interna y externa) no está
limitado por el ciclo de Carnot ya que no siguen un ciclo termodinámico. Por lo tanto, su rendimiento es muy alto en
comparación, al convertir energía química en eléctrica directamente. El rendimiento de una celda de combustible ,
bajo condiciones estándares está limitado por el cociente entre la variación de la energía libre (estándar) de Gibbs
, y la variación de la entalpía estándar de la reacción química completa . El rendimiento real es igual o
normalmente inferior a este valor.
Una célula de combustible convierte normalmente la energía química de combustible en electricidad con un
rendimiento aproximadamente del 50%. El rendimiento sin embargo depende en gran medida de la corriente que
circula a través de la celda de combustible: cuanto mayor es la corriente, menor el rendimiento. Para una de
hidrógeno, el rendimiento (energía real/energía teórica) es igual a la tensión de la celda dividida por 1,23 voltios, a
una temperatura de 25 °C. Esta tensión depende del combustible usado, de la calidad y de la temperatura de la célula.
Una célula que funcione a 0,6 V tendrá un rendimiento cercano al 50%, lo que significa que el 50% de la energía
contenida en el hidrógeno es convertida en energía eléctrica.
Una pila de combustible y un electrolizador devuelven menos del 50 por ciento de la energía de entrada (esto se
conoce como eficacia del proceso reversible), 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 con
célula de combustible que funcionan con hidrógeno comprimido tienen una eficiencia del 22% si el hidrógeno sealmacena como gas a alta presión, y del 17% si se almacena como hidrógeno líquido (estas cifras deberían justificar
su metodología de cálculo).
Las células 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 de almacenaje para formar un conjunto para almacenar esta energía. El rendimiento del
proceso reversible (de electricidad al hidrógeno y de nuevo a electricidad) de tales plantas se encuentra entre el 30 y
el 40%.
En "usos combinados de calor y de energía" (cogeneración), para aplicaciones donde también se requiere energía
calorífica, se acepta un rendimiento más bajo de la conversión de combustible a electricidad (típicamente 15-20%),
porque la mayoría de la energía no convertida en electricidad se utiliza como calor. Se pierde algo de calor con los
gases que salen de la célula como ocurre en cualquier caldera convencional, por lo que con esta producción
combinada de energía térmica y de energía eléctrica la eficacia sigue siendo más baja de 100%, normalmente
alrededor del 80%. En términos de energía sin embargo, el proceso es ineficaz, y se obtendrían mejores resultados
energéticos maximizando la electricidad generada y después usando la electricidad para hacer funcionar una bomba
de calor.
Aplicaciones de las celdas de combustibleLas celdas de combustible son muy útiles como fuentes de energía en lugares remotos, como por ejemplo naves
espaciales, 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, ligero y no tiene piezas
móviles importantes.
Aplicaciones de cogeneración (uso combinado de calor y electricidad) para viviendas, edificios de oficinas y
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
aplicaciones de cogeneración en todo el mundo y pueden proporcionar eficacias combinadas cercanas al 80%
(45-50% eléctrico + el resto como térmica). El mayor fabricante de células de combustible de PAFC es UTC Power,
una división de United Technologies Corporation. También se utilizan 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).
Los sistemas electrolizadores no almacenan el combustible en sí mismos, por lo que necesitan de unidades de batería
externas, lo que supone un problema serio para áreas rurales. En este caso, las baterías tienen que ser de gran tamaño
para satisfacer la demanda del almacenaje, pero aun así esto supone un ahorro con respecto a los dispositivos
eléctricos convencionales.
Existe un programa experimental en Stuart Island en el estado de Washington, donde la compañía Stuart Island
Energy Initiative ha construido un sistema completo en el cual los paneles solares generan la corriente para hacerfuncionar varios electrolizadores que producen hidrógeno. Dicho hidrógeno se almacena en un tanque de 1900 litros,
a una presión de 10 a 80 bar. Este combustible finalmente se utiliza para hacer funcionar una celda de combustible
de hidrógeno de 48 V ReliOn que proporciona suficiente energía eléctrica para fines residenciales en la isla (véase el
enlace externo a SIEI. ORG).
Protium, una banda de rock formada en la Ponaganset High School, en Glocester, fue el primer conjunto musical del
mundo en utilizar celdas de combustible de hidrógeno para proveerse de energía. La banda utilizaba un Airgen
Fuelcell de 1kW Ballard Power systems. El conjunto 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 otra compañía importante en el diseño, desarrollo y fabricación de celdas de combustible PEM
para aplicaciones estacionarias, incluyendo productos dirigidos a las telecomunicaciones, energía básica, y
En la actualidad, los mayores problemas residen en los materiales de soporte y de catálisis. Según diversosautores(Venkatachalapathy, Davila et al. 1999), (Hoogers 2003), un material electrocatalizador debe satisfacer varios
requisitos. Necesita, en primer lugar, alta eficiencia en la oxidación electroquímica del combustible en el ánodo, (e.g.
H2
o CH4) y para la reducción del O
2en el cátodo. Una elevada durabilidad es también un requisito fundamental: se
espera que las PEMFCs funcionen al menos durante 10.000 horas. Es necesario que un electrocatalizador tenga una
buena conductividad eléctrica para reducir al mínimo las pérdidas por resistencia en la capa del catalizador. Ha de
tener finalmente un bajo coste de producción.
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 hidrógenocomo 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 abastecida externamente: los
únicos suministros necesarios son electricidad y agua.
Shell también participa en el proyecto. La estación no
tiene cubierta, para que en caso de peligro el hidrógenopueda escapar libremente a la atmósfera.
Hay numerosos prototipos y modelos de coches y
autobuses basados en la tecnología de la pila de
combustible. Las empresas de automoción siguen
investigando y ya han llegado a fabricar algunos prototipos. Compañías como DaimlerChrysler, Ballard Power
Systems, Ford, Volvo, Mazda, General Motors, BMW, Hyundai, o Nissan, entre otras. Sin embargo, Honda es la
única firma que ha obtenido la homologación para empezar a comercializar su vehículo impulsado por este sistema,
el FCX Clarity, en Japón y Estados Unidos en 2008.
En septiembre de 2009, diferentes compañías (Honda, DaimlerChrysler, Ford Motor Company, General MotorsCorporation/Opel, Hyundai Motor Company, Kia Motors Corporation, la alianza Renault SA y Nissan Motor
Corporation y Toyota Motor Corporation), firmaron un acuerdo para homogeneizar el desarrollo y la introducción al
mercado de vehículos eléctricos impulsados con pila de combustible, lo que se consideró un gran paso hacia la
producción en serie de vehículos de cero emisiones. En el acuerdo, las compañías anticipaban que, a partir del año
2015, una cantidad significativa de vehículos eléctricos con pila de combustible podrían ser comercializados.
Unidos (al menos la idea original) fuesen utilizadas en el programa espacial de Estados Unidos para proveer a los
astronautas de electricidad y de agua potable a partir del hidrógeno y oxígeno disponibles en los tanques de la nave
espacial.
Paralelamente a Pratt & Whitney Aircraft, General Electric desarrolló la primera pila de membrana de intercambio
de protones (PEMFCs) para las misiones espaciales Gemini de la NASA. La primera misión que utilizó PEFCs fue la
Gemini V. Sin embargo, las misiones del Programa Apolo y las misiones subsecuentes Apolo-Soyuz, del Skylab, ydel 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 células de
combustible estacionario a gran escala, para su uso como central eléctrica de cogeneración en hospitales,
universidades, y grandes edificios de oficinas. UTC Power continúa comercializándola bajo el nombre de PureCell
200, un sistema de 200 kilovatios, y sigue siendo el único proveedor para la NASA para su uso en vehículos
espaciales, proveyendo actualmente al trasbordador espacial. Además está desarrollando celdas de combustible para
automóviles, autobuses, y antenas de telefonía móvil. En el mercado de automoción, UTC Power fabricó la primera
capaz de arrancar a bajas temperaturas: la célula de membrana de intercambio de protones (PEM).
Los materiales utilizados eran extremadamente caros 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, se siguió investigando en celdas de combustible debido a las grandes cantidades de
combustible disponibles (hidrógeno y oxígeno).
A pesar de su éxito en programas espaciales, estos sistemas se limitaron a aplicaciones especiales, donde el coste no
es un problema. No fue hasta el final de los años 80 y principios de los 90 que las celdas de combustible se
convirtieron en una opción real para uso más amplio. Varias innovaciones, catalizador con menos platino y
electrodos de película fina bajaron su coste, haciendo que el desarrollo de sistemas PEMFC (para, por ejemplo,
automóviles) comenzara a ser realista.
Gerhard Ertl, ganador del Premio Nobel de Química en 2007, fue el descubridor del funcionamiento de las pilas decombustible.
Bibliografía
• Gregor Hoogers, Hoogers Hoogers - Fuel Cell Technology Handbook - Edita:CRC Press enero de 2003 - ISBN
0-8493-0877-1
• Venkatachalapathy, R., G. P. Davila, et al. (1999). "Catalytic decomposition of hydrogen peroxide in alkaline
Fuentes y contribuyentes del artículoPila de combustible Fuente: http://es.wikipedia.org/w/index.php?oldid=48142988 Contribuyentes: 1000pablo, 3coma14, AlGaAs, Alexav8, Alhen, Aloneibar, Alvaro qc, Angel GN, Antur,Arkimedes, Barcex, Barri, BlackBeast, BlackSalamander, Chitarroni, Cobalttempest, Darkboy0712, David f.1993, David triback, Diego cornella, Diegusjaimes, Digigalos, Dodo, Dominican,Dvelasquez, Emijrp, Euratom, Fernando Estel, Fran89, Franky stuart, Gaijin, Gallowolf, GermanX, HUB, Haritol, Hhzorrilla, Humberto, Itnas19, JoSongoku, Komputisto, Kved, Lampsako,LasParedsStanScuxando, MARC912374, Mahadeva, Matdrodes, Mion, Misigon, Montgomery, Muro de Aguas, NaSz, Netito777, Ortisa, Paintman, Pan con queso, Pawer13, Pione, PoLuX124,Poc-oban, Prometheus, Proximo.xv, Rafiko77, Raulach, Rroyo, Rufflos, Sabbut, Simeón el Loco, Stifax, Super braulio, Swatero, Takashi kurita, Tano4595, Tomatejc, Tostadora, Triku,Wikiléptico, Xoneca, 185 ediciones anónimas
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