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Celda de Combustible – energía eléctrica limpia – hidrógeno

Célula a Combustível - Fuel Cell - Pila de Combustible
Fuel Cell - Pila de combustible, también llamada celda de combustible

Fuel Cell – energía eléctrica a partir de hidrógeno

Pila o celda de combustible es un transductor electroquímico, de operación continua, que convierte energía química en energía eléctrica mediante la combinación de un átomo de oxígeno con dos átomos de hidrógeno produciendo agua, electricidad y energía térmica. Ella opera con una alta eficiencia energética, ya que convierte directamente la energía química en energía eléctrica, sin pérdidas en la conversión de la energía química como sucede con los combustibles fósiles, por ejemplo, que convierte en energía térmica para su posterior conversión en energía eléctrica (sin las restricciones termodinámicas del ciclo de Carnot).

Su funcionamiento produce bajo impacto ambiental: sin vibración, sin ruidos, sin combustión, sin emisiones de partículas y, dependiendo de la tecnología, sin emisiones de gases de efecto invernadero. Además, en la etapa actual de desarrollo, sin emisión de gases ácidos y de baja polución.

Es de funcionamiento continuo, porque a diferencia de las baterías químicas, genera la electricidad, siempre y cuando tenga suministro de combustible y de oxidante, sin nunca ‘perder la carga’, como sucede con las pilas y baterías comunes.

Cuando se combinan en conjuntos son llamadas Pilas de combustible, esta asociación se justifica para producir corrientes y cargas eléctricas compatibles con las necesidades actuales de energía.

El hidrógeno como combustible

El sistema de conversión de electricidad usada por la celda de combustible funcionan en electrólisis inversa, la combinación de átomos de hidrógeno a átomos de oxígeno formando agua en este proceso. Esta característica permite el uso de una amplia gama de especies químicas compuestas fundamentalmente por hidrógeno, a ejemplo del gas  de hidrógeno, pasando por hidrocarburos de origen mineral, gasolina, por ejemplo, hasta hidrocarburos de origen vegetal, como por ejemplo el etanol, nuestro conocido alcohol anhidro.

Muchas sustancias se muestran activas para actuar como combustible para la celda de combustible, entre los que se destacan el hidrógeno, metanol, hidrocina, etanol, hidrocarburos de bajo peso molecular, entre otros.

Hidrógeno

Átomo de hidrógeno
(sin escala)

Es el elemento químico más abundante en el universo, el de menor densidad y, en su isótopo más común, tiene un protón y un electrón y no hay de neutrones. Esta característica hace que sea único. Se estabiliza de dos maneras: 1) mediante el intercambio de un electrón, a través de enlace molecular, con otro miembro de la familia o grupo de no-metales, o 2) recibiendo un electrón a través de un enlace iónico con un elemento de la familia o grupo de los metales. El enlace con el oxígeno es de la primera forma.

El hidrógeno puro es el combustible ideal para las pilas de combustible, pero su uso no es favorable debido al costo de la obtención y principalmente, debido a dificultades de almacenamiento, transporte y manipulación de esta sustancia. Incluso en forma líquida o en combinación en forma de hidruro metálico existe una preocupación justificada que impone estrictos requisitos de seguridad. Como alternativa, se estudia por ejemplo, la reforma de metanol o etanol. En esta tecnología, el hidrógeno se separa del alcohol en el momento que será utilizado en la celda. Esta tecnología tiene algunas ventajas en comparación con el uso de hidrógeno puro. Además de su costo más bajo, ella es más compatible con la actual infraestructura instalada de distribución e combustibles. Esta clase de PEMFC se llama DEFC (siglas en inglés: Direct Ethanol Fuel Cells), el cual a pesar de ser considerada una tecnología prometedora para aplicaciones en vehículos y portátiles, todavía representa un desafío tecnológico importante para alcanzar los niveles de corriente y potencia eléctrica éxitoalcanzados por las células que consumen hidrógeno puro.

Hay un gran interés en el desarrollo de células de combustible usando hidrógeno puro como combustible:

  • Se evita la contaminación de los electrodos en las reacciones adversas
  • Se reduce el número de componentes del sistema
    • Los encargados de la reforma de los hidrocarburos
  • Se aumenta el rendimiento del sistema
    • Debido a la mayor densidad de hidrógeno,
  • entre otros.

El hidrógeno se proporciona en el lado del ánodo. Esta especie químicas no se encuentra en el medio ambiente sin ser combinado con otro elemento. Por lo tanto, es necesario separar y, a veces de almacenar y transportar para su uso como combustible (por supuesto, estos pasos consumen energía y, en un mayor o menor grado, causan impacto ambiental). Existen varios procedimientos consolidados (y en desarrollo) para este fin. La electrólisis del agua, reforma de hidrocarburos o alcoholes, gasificación de biomasa, entre otros, son ejemplos de procesos para la obtención de este insumo.

Oxidantes

Por definición ‘oxidante’ es una especie química que cede electrones en una reacción química.

Oxígeno


átomo de oxígeno
(sin escala)

Encontrado en abundancia en la atmósfera en una concentración superior al 20%, en forma de gas, existe un gran interés en el uso de este estado ya que no existen problemas de adquisición, transporte, almacenamiento y mantenimiento.

El oxígeno. Posiblemente la especie química más abundante de la tierra, se encuentra en altas concentraciones en la atmósfera. Se proporciona en el lado del cátodo y en general, en su estado gaseoso, a presión ambiente y en la mezcla homogénea que se encuentra en el aire. Sin embargo, para aumentar el rendimiento, se puede suministrar bajo presión o disuelto en agua, por ejemplo.

Resultado

Ingeniería del funcionamiento de una Celda de Combustible

Ejemplo de funcionamiento de una PEMFC

Eduardo Stefanelli

Engenheiro por profissão, professor por vocação