Fig. 1: Diagrama simple que muestra una celda de combustible

La primera ley de la termodinámica dice: "La energía no se puede crear ni destruir, pero se puede convertir de una forma a otra". La primera parte de esta ley nos dice que hay una cantidad fija de energía en el universo, mientras que la segunda parte da una idea de cómo podemos usar la energía disponible para cambiarla a una forma que nos sea útil. El caso ideal sería convertir toda la porción de energía de la fuente en la forma que elijamos. Por ejemplo, un automóvil de gasolina perfecto produciría energía exactamente igual a la energía liberada al romper los enlaces del combustible de hidrocarburos mediante la combustión, lo que significaría una máquina 100% eficiente. Desafortunadamente, no vivimos en un universo tan perfecto y tal máquina (llamada máquina de movimiento perpetuo del primer tipo – PMM 1) no existe.

Siempre hay pérdidas en la conversión de energía, ya sea por fricción, calor o vibración. Lo que significa que la energía de la fuente no se convierte exactamente en una sola forma de energía. Por lo tanto, los ingenieros no intentan eliminar las pérdidas al diseñar máquinas, sino que intentan minimizarlas tanto como sea posible, utilizando la segunda ley de la termodinámica que trata el concepto de “entropía”. Básicamente, esta ley explica la direccionalidad de la transferencia de energía dividiendo la energía en dos categorías, energía de alto grado y energía de bajo grado. Una energía de alta calidad se puede convertir fácilmente en gran medida en energía de baja calidad, pero lo contrario es más ineficiente. Considerando el ejemplo de un motor de gasolina en un automóvil, la energía química de la gasolina se convierte primero en energía térmica (energía de menor grado) mediante la combustión y luego en energía mecánica (energía de mayor grado), lo que conduce a eficiencias bajas (alrededor del 25 % al 30 %). ). ). Si pudiéramos eliminar el proceso de conversión a energía de menor calidad, podríamos crear un dispositivo energético más eficiente. Este es exactamente el propósito detrás de una “pila de combustible” que convierte directamente la energía química en energía eléctrica. En este artículo entenderemos cómo funciona una pila de combustible, sus diferentes tipos y sus aplicaciones.

La pila de combustible: en funcionamiento

La pila de combustible es básicamente un dispositivo de conversión de energía electroquímica que funciona según el principio opuesto a la "electrólisis". En la electrólisis, el agua se descompone aplicando electricidad en hidrógeno y oxígeno, mientras que en una pila de combustible el hidrógeno cede sus electrones al oxígeno y forma agua. El camino recorrido por los electrones se dirige a través de un circuito que produce electricidad. A diferencia de las baterías, que también son dispositivos de energía electroquímica, las pilas de combustible pueden seguir produciendo energía eléctrica de forma constante mientras se suministre combustible.

Los dos componentes, el hidrógeno y el oxígeno, están separados por una membrana que no deja pasar los electrones. El hidrógeno pasa a través de esta membrana que separa el ion hidrógeno positivo del electrón y pasa a través de una solución electrolítica hacia la sección del cátodo. Los electrones que no pueden atravesar la membrana pasan a través del conductor hasta la sección del cátodo y forman un ion de oxígeno negativo. El ion hidrógeno positivo y el ion oxígeno negativo se combinan para formar agua que se libera como subproducto. El combustible básico de hidrógeno se suministra a través de contenedores de gas a presión y oxígeno del aire. El contenedor de hidrógeno presurizado es una instalación bastante pesada y por ello existen determinadas pilas de combustible que están diseñadas para funcionar con gases que contienen hidrógeno, como el gas natural limpio o el biogás renovable.

Tipos de pilas de combustible

Tipos de pilas de combustible

El electrolito utilizado es diferente para diferentes aplicaciones y funciona a diferentes temperaturas. En base a esto, las pilas de combustible se clasifican en diferentes tipos.

• Celdas de combustible de membrana de intercambio de polímeros (PEMFC): estas son probablemente las celdas de combustible más utilizadas, ya que utilizan una membrana polimérica que contiene la solución electrolítica entre los electrodos y también opera a una temperatura relativamente baja de aproximadamente 60 a 80 grados Celsius. escala. Un material de membrana comúnmente utilizado es Nafion, que es un polímero a base de hidrocarburos. El gas hidrógeno pasa a través de un catalizador recubierto de platino que divide electrones e iones positivos. Las celdas de combustible intercaladas generalmente se apilan para proporcionar la producción requerida. También se pueden utilizar para aplicaciones más pequeñas y portátiles.

Fig. 2: Pila de combustible de membrana de intercambio de polímeros

• Pilas de combustible de óxido sólido (SOFC): son las más adecuadas para plantas de generación de energía estacionarias, ya que operan a temperaturas más altas, de alrededor de 700 a 1000 grados Celsius. Utiliza un electrolito sólido elaborado a partir de un material cerámico llamado circonio estabilizado con itria. Se diferencian de los otros tipos porque tienen iones de oxígeno negativos que viajan a través del electrolito hacia los iones de hidrógeno. Las altas temperaturas asociadas con esto se pueden utilizar en una planta de cogeneración, donde el calor residual de este ciclo se puede utilizar para producir vapor para alimentar una planta generadora impulsada por turbinas.

Fig. 3: Pila de combustible de óxido sólido

• Pilas de combustible alcalinas (AFC): este tipo de pila de combustible es uno de los diseños más antiguos realizados para los programas espaciales Apolo para generar electricidad y agua para los astronautas en el espacio. Utiliza hidrógeno y oxígeno puros y, por tanto, es muy caro. Soluciones alcalinas como el hidróxido de potasio (KOH) o el hidróxido de sodio (NaOH) se utilizan como electrolito a través del cual se burbujean hidrógeno y oxígeno puros. Opera en un rango de temperatura de 70 a 140 grados Celsius.

Fig. 4: Pila de combustible alcalina

• Pilas de combustible de carbono fundido (MCFC): al igual que las SOFC, este tipo de pila de combustible también funciona a una temperatura alta, de alrededor de 650 grados Celsius. Utiliza sal de carbonato de litio y potasio como electrolito en forma fundida. La ventaja de esta pila de combustible es que puede extraer hidrógeno de combustibles fósiles generales en lugar de utilizar gas hidrógeno puro. Mantener las emisiones de carbono al mínimo.

Fig. 5: Celda de combustible de carbono fundido

• Pilas de combustible de ácido fosfórico (PAFC): este tipo de pilas de combustible utilizan ácido fosfórico como electrolito para pasar iones de hidrógeno, pero al mismo tiempo es un electrolito no conductor. Las temperaturas de funcionamiento oscilan entre 150 y 200 grados. Aunque estas temperaturas no son ideales para una central eléctrica, sí son adecuadas para alimentar plantas de aire acondicionado. Aunque las temperaturas más altas provocan un mayor tiempo de calentamiento, lo que lo hace inadecuado para automóviles.

Fig. 6: Pila de combustible de ácido fosfórico

• Pilas de combustible de ácido fosfórico (PAFC): este tipo de pilas de combustible utilizan ácido fosfórico como electrolito para pasar iones de hidrógeno, pero al mismo tiempo es un electrolito no conductor. Las temperaturas de funcionamiento oscilan entre 150 y 200 grados. Aunque estas temperaturas no son ideales para una central eléctrica, sí son adecuadas para alimentar plantas de aire acondicionado. Aunque las temperaturas más altas provocan un mayor tiempo de calentamiento, lo que lo hace inadecuado para automóviles.

Fig. 7: Pila de combustible de ácido fosfórico

Pilas de combustible de metanol directo (DMFC): se trata de un tipo de pila de combustible de intercambio de protones que utiliza metanol como fuente de combustible para suministrar hidrógeno. Su temperatura de funcionamiento es similar a la de los PEMFC, pero tiene menor eficiencia. Se puede utilizar en dispositivos portátiles que requieren una buena densidad de potencia en lugar de eficiencia.

Fig. 8: Pila de combustible de metanol directo

Celdas de biocombustible enzimáticos y microbianos (EFC y MFC): las celdas de biocombustible enzimáticas y microbianas entran en la categoría especial de celdas de biocombustible que utilizan medios biológicos como catalizadores para liberar electrones. Los EFC utilizan específicamente enzimas para este propósito, que son producidas por células vivas que son fáciles y económicas de producir en masa, mientras que los MFC utilizan organismos vivos reales (microbios). Estos reemplazan el uso de materiales costosos como el platino y el níquel. Las enzimas y los microbios son capaces de descomponer moléculas orgánicas simples como azúcares, desechos humanos, biocombustibles, etc. Las pilas de biocombustibles aún no han encontrado una salida a los laboratorios de investigación, pero son muy prometedoras si se comercializan teniendo en cuenta su gran potencial económico. Su objetivo es encontrar aplicación en la alimentación de bioimplantes, sistemas de soporte vital de naves espaciales, etc.

Fig. 9: Celda de biocombustible enzimática y microbiana

Solicitud

Aplicación destacada: vehículos de pila de combustible

Fig. 10: Implementación de pila de combustible en un vehículo de cuatro ruedas.