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| Pila de Volta |
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| Esquema de pila de combustimble |
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| Ruptura del enlace O2 |
Introducción.
Desde que Alessandro Volta (1.745-1.827) descubriera la primera pila eléctrica, el problema de la acumulación de la energía constituye uno de los principales retos de la ciencia. Cada día más, la humanidad precisa dispositivos eficaces y asequibles para las mayores aplicaciones que asi lo requieren: desde teléfonos móviles y computadoras portátiles hasta las centrales nucleares y los submarinos pasando por el tan deseado como lejano vehículo eléctrico.
En el presente artículo, que no pretende ser exhaustivo, se va a describir brevemente la llamada pila de combustible,uno de los más interesantes sistemas de acumulación existentes y sobre los que están en marcha cientos de programas de I+D+i y en concreto, también, un interesante desarrollo del que se da cuenta al final de este artículo y en el que colaboran investigadores epañoles, junto con científicos de los USA y Japón..
La pila de combustible, “fuel cell”, en inglés.
Las pilas de combustible son sistemas electroquímicos en los que 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 agota ni necesita ser recargada; funciona mientras el combustible y el oxidante le sean suministrados desde fuera de la pila.
Una pila de combustible posee un ánodo (polo negativo) en el que se inyecta el combustible —comúnmente hidrógeno, amoníaco o hidrazina— y un cátodo (polo positivo) en el que se introduce un oxidante —normalmente aire u oxígeno. Los dos electrodos de una pila de combustible están separados por un electrolito iónico conductor.
Su principio de funcionamiento es inverso al de una electrolisis. Así por ejemplo, mientras que en la electrolisis del agua, se disocia este compuesto en sus dos componentes, hidrógeno y oxígeno, por efecto de aplicar una corriente eléctrica continua, en una pila de combustible se obtendría una corriente eléctrica por medio de la reacción entre estos dos gases.
Las pilas de combustible están constituidas por un conjunto de celdas apiladas, cada una de las cuales posee un ánodo y un cátodo , separados por un electrolito que facilita la transferencia iónica entre los electrodos. Cada una de las sustancias que participan en la reacción es alimentada a un electrodo distinto. Así, el combustible, generalmente rico en hidrógeno, es alimentado de forma continua al ánodo, y el oxidante, normalmente el oxígeno del aire, al cátodo. Allí los reactivos se transforman electroquímicamente acelerándose la reacción por el efecto de los .catalizadores, generándose de esta forma una corriente eléctrica entre ambos electrodos.
Dependiendo del tipo de pilas de combustible, se obtienen rendimientos entre un 35 % hasta un 60 %. Los principales problemas pendientes de resolver y optimizar actuamene residen, entre otros, en la duración de las pilas y en los costes de sus componentes.
Los sistemas de pilas de combustible se caracterizan por sus reducidas emisiones. Si solo se utiliza hidrógeno (derivado de fuentes renovables) como combustible en las celdas, se obtendrá vapor de agua y electricidad . La utilización de hidrocarburos para la producción de hidrógeno eliminaría prácticamente las emisiones de óxidos de nitrógeno y monóxido de carbono. Considerando que sus eficacias son potencialmente superiores a las de los motores de combustión interna, las emisiones de dióxido de carbono se verían además reducidas.
Las pilas de combustible pueden ofrecer la respuesta a diversos requerimientos energéticos. La eficacia de estos dispositivos no depende del tamaño como sucede en otros sistemas energéticos. Este hecho permite su aplicación en sistemas de energía miniaturizados y portátiles.
Aplicaciones.
Las aplicaciones de las pilas de combustible pueden abarcar una amplia variedad de productos: desde dispositivos portátiles (teléfonos móviles, ordenadores, pequeños electrodomésticos), donde las pilas empleadas son de pequeño tamaño, pasando por aplicaciones móviles como vehículos de todo tipo (coches, autobuses y barcos), hasta generadores de calor y energía en aplicaciones estacionarias para empresas, hospitales, zonas residenciales, etc.Particular interés reviste su aplicación a la propulsión de los coches eléctricos y a los submarinos, que equipados con este sistema disponen de una propulsion adicional, independiente del aire,a la de las baterías convencionales de plomo-acido.
Clasificación de las pilas de combustible.
Las pilas de combustible se clasifican por el tipo de electrolito empleado. Dependiendo del electrolito, se producirán diferentes reacciones químicas en la propia pila, así como diferentes agentes catalíticos, rangos de temperatura, combustible requerido y algunos otros factores. Estas características, a su vez, determinan el tipo de aplicaciones para las que son más apropiadas estas pilas. Actualmente se está investigando en varios tipos de pilas de combustible, con sus ventajas, limitaciones, y posibles aplicaciones. Entre las más prometedoras se encuentran:
- Membrana polimérica (PEM)
- Ácido fosfórico (PAFC)
- Conversión directa de metanol (DMFC)
- Alcalina (AFC)
- Carbonato fundido (MFCF)
- Óxido sólido (SOFC)
- Reversible (Regenerativa)
Membrana polimérica (PEM).
Las pilas de membrana polimérica (PEM), también llamadas pilas de combustible de membrana de intercambio de protones, proporcionan una densidad energética elevada y tienen la ventaja de ser ligeras y tener un tamaño reducido. Las pilas PEM usan como electrolito un polímero sólido y electrodos porosos de carbono que contienen un catalizador de platino. Normalmente usan hidrógeno puro como combustible almacenado en depósitos o convertidores incorporados.
La pilas PEM se usan fundamentalmente para aplicaciones en el transporte e instalaciones estacionarias. Debido a su rapidez para el arranque, baja sensibilidad a la orientación, y su relación favorable entre peso y energía producida, las pilas de combustible PEM son especialmente adecuadas para su uso en vehículos de pasajeros, como por ejemplo coches y autobuses.
Un obstáculo importante para el uso de estas pilas en vehículos es el almacenamiento del hidrógeno. La mayoría de los vehículos que funcionan con hidrógeno deben almacenarlo en el propio vehículo en forma de gas comprimido dentro de depósitos presurizados. Combustibles líquidos de alta densidad tales como metanol, etanol, gas natural, gas de petróleo licuado y gasolina, pueden usarse como combustible, pero entonces los vehículos deben de contar con un procesador de combustible a bordo para convertir el metanol en hidrógeno. Esto incrementa los costes y las necesidades de mantenimiento.
Ácido Fosfórico (PAFC)
Estas pilas utilizan ácido fosfórico líquido como electrolito y electrodos de carbono poroso que contienen un catalizador de platino.
La pila de combustible de ácido fosfórico (PAFC) es considerada como la primera generación de pilas de combustible modernas. Es uno de los tipos de pilas de combustible más desarrollados y el más usado en la actualidad (existen mas de 200 unidades en uso actualmente). Este tipo de pila se usa normalmente en la generación de energía estacionaria, pero también se ha usado en vehículos pesados, como los autobuses urbanos.
Las pilas PAFC también producen menos energía que otras pilas a igualdad de peso y volumen. Por este motivo, estas pilas normalmente presentan gran tamaño y peso y son mas caras. Analogamente que las PEM, estas pilas necesitan un catalizador de platino, lo que incrementa su coste. Una pila de combustible de ácido fosfórico cuesta normalmente entre 3.500 y 4.000 € por kilovatio.
Conversión directa de metanol (DMFC).
Las pilas de combustible de metanol directo (DMFC), funcionan con metanol puro mezclado con vapor de agua y suministrarlo directamente al ánodo de la pila.
El metanol, al ser líquido como la gasolina, es también más fácil de transportar y suministrar al público usando la infraestructura ya existente.
La tecnología de la pila de combustible de metanol directo es relativamente nueva y su nvestigación y desarrollo va 3 ó 4 años por detrás de las otras pilas de combustible.
Alcalina (AFC).
Las pilas de combustible alcalinas (AFC) fueron una de las primeras pilas de combustible en ser desarrolladas, y el primer tipo usado de forma extensiva en el programa espacial de Estados Unidos para producir energía eléctrica y agua a bordo de las naves espaciales. Estas pilas de combustible utilizan una solución de hidróxido de potasio en agua como electrolito y pueden usar una gran variedad de metales no preciosos como catalizadores en el ánodo y el cátodo. Las pilas AFC de altas temperaturas pueden funcionar a temperaturas entre 100ºC y 250ºC. No obstante, diseños más modernos de estas pilas funcionan a temperaturas más bajas, entre 23ºC y 70ºC aproximadamente.
Las pilas AFC son de alto rendimiento debido a la velocidad a la que tienen lugar las reacciones que se producen en ellas. También son muy eficientes, alcanzando un 60% rendimiento en aplicaciones espaciales.
Carbonato fundido(MCFC).
Las pilas de combustible de carbonato fundido (MCFC) se están desarrollando en la actualidad para plantas de energía de carbón en la producción de electricidad. Las pilas MCFC son pilas de combustible de alta temperatura que utilizan un electrolito compuesto de una mezcla de sales de carbonato fundidas dispersas en una matriz cerámica porosa y químicamente inerte de óxido de litio-aluminio. Dado que operan a temperaturas extremadamente altas de entre 600 y 650ºC, se pueden utilizar en el ánodo y el cátodo metales que no sean nobles como catalizadores, lo que reduce los costes.
Las pilas MCFC son más eficientes y cuestan menos que las pilas de ácido fosfórico. Estas pilas pueden tener un rendimiento de aproximadamente el 60%, considerablemente más alto que las plantas de pilas de ácido fosfórico que sólo obtienen entre un 37 y un 42% de rendimiento. Cuando el calor que se desprende es captado y utilizado, el rendimiento total del combustible puede ser de hasta un 85%.
Óxido sólido(SOFC).
Las pilas de combustible de óxido sólido (SOFC) usan como electrolito un componente de cerámica duro y no poroso. Al ser el electrolito sólido, las pilas no se tienen que construir con una configuración laminar, como ocurre con las otras pilas. Se espera que las pilas SOFC tengan un rendimiento en la conversión de combustible en electricidad de entre el 50-60%. En aplicaciones cuya finalidad es captar y utilizar el calor que desprende el sistema (cogeneración), el rendimiento total del combustible puede llegar hasta el 80-85%.
Los científicos están estudiando en la actualidad el potencial para desarrollar pilas SOFC que funcionen a 800 ºC o menos, que tengan menos problemas de duración y que cuesten menos. Las pilas SOFC a temperaturas más bajas producen menos electricidad, y no se han encontrado materiales para estas pilas que funcionen a este rango de temperaturas.
Pilas de combustible reversibles (regenerativas)
Las pilas de combustible reversibles producen electricidad a partir del hidrógeno y el oxígeno y generan calor y agua como bioproductos, al igual que otras pilas de combustible. No obstante, las pilas de combustible regenerativas pueden usar también electricidad procedente de la energía solar o de otra fuente para dividir el exceso de agua en combustible de oxígeno e hidrógeno (este proceso se llama electrólisis). Este es un tipo de pila relativamente nuevo que está siendo desarrollado por la NASA y otros grupos de investigación.
Recientes avances en la técnica de las pilas de combustible.
Un equipo de científicos de EEUU, España y Japón ha logrado acelerar diez veces la reacción de reducción del oxígeno en superficies de platino con cianuro, según publican en la revista Nature Chemistry. Esta técnica puede ayudar a desarrollar pilas de combustibles con menos platino, y por tanto, más baratas.
Ahora, un equipo internacional de investigadores ha logrado multiplicar por 10 la velocidad a la que transcurre la reducción de oxígeno sobre platino, una reacción electroquímica de la que depende la potencia eléctrica proporcionada por las pilas de combustible. El nuevo método podría permitir fabricar cátodos para estas pilas con una cantidad mucho menor de platino, lo que las haría económicamente más competitivas.
El estudio, que se publica en el último número de la revista Nature Chemistry, lo han desarrollado investigadores del Instituto de Química Física ‘Rocasolano’, (CSIC), del Argonne National Laboratory (Illinois, EEUU) y de un laboratorio de I+D de una compañía japonesa fabricante de coches.
“Una de las principales limitaciones para el desarrollo de este tipo de tecnología es la baja velocidad a la que ocurre la reducción de oxígeno, lo que implica menor potencia para un mismo voltaje”, explica Ángel Cuesta, coautor del trabajo e investigador del CSIC. “Y además, que haya que utilizar grandes cantidades de platino para conseguir la potencia deseada encarece demasiado las pilas de combustible”.
El equipo ha centrado su atención en manipular los átomos presentes en la superficie del platino, un metal normalmente empleado como catalizador de la pila por ser el más activo en acelerar la reacción química necesaria para generar electricidad.
“Hemos intentado mantener las propiedades químicas de los átomos superficiales del platino y hemos modificado el tamaño y la estructura geométrica de los grupos de átomos de platino expuestos al medio interno de la pila o electrolito”, explica el científico.
Durante los experimentos, los investigadores consiguieron retener moléculas de cianuro sobre la superficie de un electrodo de platino con el objetivo de que quedasen dos o tres átomos de platino en línea, necesarios para que se rompiese el enlace O-O en la molécula de oxígeno (O2).
“De esta forma, la velocidad a la que transcurre la reducción de oxígeno se multiplica por 10 empleando ácido fosfórico como conductor eléctrico y por 25 en el caso de ácido sulfúrico”, destaca Cuesta.
Conclusiones.
De todo lo anteriormente expuesto puede deducirse la importancia que revisten estos novedosos dispositivos electroquimicos y su potencial utilidad en múltiples campos de la vida actual; también se desprende que todavía estamos lejos de la posibilidad para una utilización masiva de los mismos en aplicaciones de la vida diaria ya que hasta ahora solamente en el campo de las aplicaciones aeroespaciales y militares en donde priman sus propiedades de alta tecnología sobre consideraciones económicas y de comercialiciaón masiva. De todas formas están abiertos múltiples y prometedoras lineas de investigación tanto en centros puramente científicos como en los laboratorios de grandes empresas principalmente de automoción, por las consecuencias que estos desarrollos podrían representar para que el coche eléctrico pueda ser una realidad, lo que hoy por hoy se ve muy lejano.
F.J.
Fuentes:
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