Pila de combustible

Pila de combustible de metanol directo. La celda en sí es la estructura cúbica del centro de la imagen.

Pila de combustible, también llamada célula de combustible o celda de combustible, es un dispositivo electroquímico en el cual un flujo continuo de combustible y oxidante sufren una reacción química controlada que da lugar a los productos y suministra directamente corriente eléctrica a un circuito externo.

Se trata de un dispositivo electroquímico de conversión de energía similar a una batería. Se diferencia en que está diseñada para permitir el abastecimiento continuo de los reactivos consumidos. Es decir, produce electricidad de una fuente externa de combustible y de oxígeno[1]​ u otro agente oxidante, en contraposición a la capacidad limitada de almacenamiento de energía que posee una batería. Además, en una batería los electrodos reaccionan y cambian según cómo esté de cargada o descargada; en cambio, en una celda de combustible los electrodos son catalíticos y relativamente estables.

El proceso electroquímico que tiene lugar es de alta eficiencia y mínimo impacto ambiental. En efecto, dado que la obtención de energía en las pilas de combustible está exenta de cualquier proceso térmico o mecánico intermedio, estos dispositivos alcanzan eficiencias mayores que las máquinas térmicas, que están limitadas por la eficiencia del Ciclo de Carnot. En general, la eficiencia energética de una pila de combustible está entre 40-60%, y puede llegar hasta un > 85%-90% en cogeneración, si se captura el calor residual para su uso. Por otra parte, dado que el proceso no implica la combustión de los reactivos, las emisiones contaminantes son mínimas.[2]

Es importante establecer las diferencias fundamentales entre las pilas convencionales y las pilas de combustible. Las baterías convencionales son dispositivos de almacenamiento de energía: el combustible está en su interior y producen energía hasta que éste se consume. Sin embargo, en la pila de combustible los reactivos se suministran como un flujo continuo desde el exterior, lo que permite generar energía de forma ininterrumpida.

En principio, las pilas de combustible podrían procesar una amplia variedad de reductores y oxidantes. Puede ser un reductor cualquier sustancia que se pueda oxidar en una reacción química y que se pueda suministrar de forma continua (como un fluido) al ánodo de una pila de combustible. Del mismo modo, el oxidante podría ser cualquier fluido que se pueda reducir (a una velocidad adecuada) en la reacción química que tiene lugar en el cátodo.[3]

Una de las primeras aplicaciones prácticas de las células de combustible fue en vehículos espaciales, basadas en la reacción de hidrógeno y oxígeno, dando como resultado agua, la cual puede usarse por los astronautas para beber, o para refrigerar los sistemas de la nave.[4]

El mercado de las pilas de combustible está creciendo. Pike Research estima que en 2020 se comercializarán pilas de combustible estacionarias, que alcanzarán los 50 Gw.[5]

El fabricante de automóviles japonés Honda, la única firma que ha obtenido la homologación en Japón y Estados Unidos para comercializar su vehículo impulsado por este sistema, el FCX Clarity, ha desarrollado también la Home Energy Station (HES), un sistema autónomo y doméstico que permite obtener hidrógeno a partir de gas natural para repostar vehículos de pila de combustible y aprovecha el proceso para generar electricidad y agua caliente para el hogar.

Historia

Configuración del dispositivo de William R. Grove, según su publicación "On the Gas Voltaic Battery" (1839)

Aunque parezca algo muy reciente, la historia de las pilas de combustible comenzó hace casi dos siglos, en 1838,[7]​ -. Esto se debe a que estas células, comparadas con otros dispositivos, tienen mayor eficiencia energética y por tanto necesitan menos combustible para producir la misma energía.

En la figura se muestra el dispositivo presentado a la comunidad científica por Willian R.Grove en su publicación "On the Gas Voltaic Battery".[9]​ Para su preparación, utilizó dos electrodos de platino sumergidos en ácido sulfúrico, que alimentaba con oxígeno e hidrógeno, respectivamente. A partir de la disociación del H2SO4, la reducción tenía lugar en el electrodo alimentado con O2 (cátodo), que reaccionaba con los iones H+ formando agua. En esta reacción intervenían los electrones, que se generaban en el ánodo durante la oxidación del H2, que reaccionaba con el ion SO42- para formar ácido sulfúrico[2]. Grove conectó eléctricamente cincuenta de estas celdas, generando el potencial suficiente como para producir la reacción de electrolisis del agua.

Lord Rayleigh mejoró esta configuración original. Rayleigh se interesó por los trabajos de Grove y en 1882 presentó una nueva versión más eficiente, debido al aumento de la superficie de contacto entre el platino, los gases reactivos y el electrolito.[10]

Ludwig Mond y Charles Langer utilizaron por primera vez el término "pila de combustible" para referirse a este tipo de dispositivos. En 1889, estos dos científicos realizaron un gran avance, resolviendo el problema asociado a la inmersión de los electrodos en el electrolito líquido y por tanto, a la dificultad del acceso de los gases reactivos a los puntos activos. Su prototipo permitía retener el electrolito en una matriz sólida no conductora, cuya superficie estaba cubierta por una fina capa de Platino u Oro.[10]

A mediados del siglo XX, el desarrollo tecnológico de estos dispositivos experimentó un gran avance. En 1954, el científico inglés Francis Thomas Bacon construyó una planta energética de 5Kw con una pila de combustible alcalina. La pila consistía en un ánodo de níquel, un cátodo de óxido de níquel y litio, y un electrolito de hidróxido de potasio concentrado al 85%. Se alimentaba con hidrógeno y oxígeno.[11]​Esta pila era capaz de accionar una máquina de soldadura. En los años 60, las patentes de Bacon (licenciadas por Pratt y Whitney en los Estados Unidos-al menos la idea original) se utilizaron 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.

En 1959, un equipo encabezado por Harry Ihrig construyó un tractor basado en una célula de combustible de 15 kilovatios para Allis-Chalmers. Se expuso en EE.UU. en las ferias del estado. Este sistema utilizó hidróxido de potasio como electrolito e hidrógeno y oxígeno comprimidos como reactivos[cita requerida].

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 subsecuentes Apolo-Soyuz, del Skylab y del transbordador utilizaban celdas de combustible basadas en el diseño de Bacon, desarrollado por Pratt & Whitney Aircraft.[12]​ En la década de 1960, las pilas de combustible se utilizaron con éxito en los vuelos espaciales tripulados. Hoy en día continúan utilizándose en aplicaciones aeroespaciales.

Entre 1970 y 1980, como consecuencia de la crisis del petróleo y la búsqueda de tecnologías energéticas alternativas, se investiga en el desarrollo de los materiales necesarios, la identificación de las fuentes óptimas de combustible y la reducción drástica en el coste de la tecnología asociada a las pilas de combustible.

Durante la década de 1980, se comenzó a probar el uso de las células de combustible en los servicios públicos y también se intentó en la fabricación de automóviles. En la década de los 1990, se desarrollan grandes células de combustible estacionarias (fijas) para locales comerciales e industriales.

En 1993, la empresa canadiense Ballar desarrolló el primer vehículo comercial con pila de combustible, utilizando la tecnología PEM.[13]

En 2007, las células de combustible se comercializan para aplicaciones estacionarias y auxiliares. En 2008, Honda comienza la venta de un vehículo eléctrico basado en pila de combustible. Ese mismo año, se concede el Premio Nobel de Química a Gerhard Ertl, cuyos estudios permitieron conocer cómo funcionan las pilas de combustible[cita requerida]. enlace

En 2013, se presenta una pila de combustible que podría representar la transición a las pilas asequibles. La empresa británica "ACAL Energy"[www.acalenergy.co.uk] ha desarrollado una pila de combustible que ha logrado un tiempo de ejecución de 10.000 horas en las pruebas de resistencia de una pila de combustible[14]​ utilizando su tecnología FlowCath ®FlowCath. A diferencia del diseño de una pila de combustible convencional de hidrógeno, la tecnología FlowCath ® de ACAL no se basa en el platino como catalizador, ofreciendo así una alternativa de coste potencialmente menor. Ha sustituido el platino por un catalizador líquido patentado, que actúa como refrigerante y catalizador para las células y mejora radicalmente la durabilidad de la pila de combustible, al tiempo que reduce el coste del sistema.

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