Pilas de combustible y sus posibles mejoras ambientales

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Pedro Farré Doncel

Desde que he empezado esta aventura de Ciencias Ambientales, el aprendizaje para la protección y conservación del medio ambiente ha sido una de mis principales preocupaciones. No es mi intención redactar un informe detallado sobre los diferentes desarrollos en el mundo de la tecnología fuel cell1 y sus posibles mejoras ambientales, sino una pequeña introducción para ayudar a conocer está tecnología como fuente renovable de energía, aunque siga pensando que no hay formulaciones definitivas de un problema retorcido como por ejemplo las emisiones de contaminantes a la atmosfera por acciones antropogénicas.

Introducción

La creciente necesidad de energía en una sociedad altamente industrializada (actividad industrial, uso masivo de vehículos de transporte), los últimos acontecimientos relacionados con la energía atómica, los procesos de liberalización del mercado “eléctrico”, la creciente preocupación de los ciudadanos por los problemas relativos a la conservación del medio ambiente (Protocolo de Kyoto, “efecto invernadero”, el informe Brundtland…), la continua dependencia y agotamiento de los combustibles fósiles, obliga a plantearse el conocer la celda de combustible “FC” y otras fuentes de energía renovable.

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Arquitectura básica de una celda de combustible

Las celdas (o pilas) de combustible son dispositivos que utilizan el hidrógeno (o un combustible rico en hidrogeno) para producir energía y calor mediante un proceso electroquímico y no por combustión. Podemos ver a continuación la estructura física de una típica celda de combustible [dos electrodos separados por un electrolito (material que permite el paso de iones –átomos cargados – pero no de electrones, así los electrones se mueven a través de un circuito externo (dando lugar a electricidad). Una reacción de oxidación en el ánodo (-) y una reacción de reducción en el cátodo (+) 2].

pila_combustible

El combustible

Para poder alimentar estas celdas de combustible y obtener la mejor respuesta ambiental (emisiones cero) es necesario producir hidrógeno en estado lo más puro posible, pudiendo obtener por alguno de los siguientes métodos:

 

Método Estequiometría de la reacción
Electrólisis 2H2O ⇌ 2H2 + O2
A partir del agua, mediante desplazamiento 2Na + 2H2O ⇌ 2NaOH + H2
Mediante vapor de agua 3Fe + 4H2O (vapor) ⇌ Fe3O4 + 4H2
A partir de los ácidos, mediante desplazamiento Fe + H2SO4 ⇌ FeSO4 + H2
A partir de hidróxidos solubles Zn + 2NaOH ⇌ Na2ZnO2 + H2
Mediante gas natural CH4 + H2O ⇌ 3H2 + CO
CO + H2O ⇌ H2 + CO2

 

Eficiencia

Al no tratarse de una máquina térmica (no hay ningún proceso de combustión), no está limitada por el ciclo de Carnot3. La eficiencia dependerá del tipo de celda (ver la siguiente tabla) pero será siempre superior a los generadores térmicos, pudiendo alcanzar el 80% si se utiliza el calor sobrante para calentar agua y se combina con sistemas de cogeneración. La efectividad de este proceso dependerá entonces de los diferentes componentes de la celda.

Tipo de celda Ion móvil T operac./ºC
Alcalina (AFC) OH 50-200
Membrana de intercambio (PEMFC) H+ 30-100
Metanol directo (DMFC) H+ 20-90
Ácido fosfórico (PAFC) H+ >220
Carbonato fundido CO32- >650
Óxido sólido (SOFC) O2- 500-1000

 

Emisiones a la atmosfera

La pila produce energía mediante un proceso electroquímico. Las únicas emisiones distintas del aire y agua vendrán en función del combustible que se utilice en las celdas, pudiendo operar con combustibles procedentes del petróleo o carbón, enviando por consiguiente a la atmosfera emisiones de dióxido de azufre, óxido nitroso, monóxidos de carbono y dióxidos de carbono (gases que producen efecto invernadero), eso sí con bajos niveles de emisiones (emisiones que se puede tratar mediante un subsistema de tratamiento). En estos casos no se puede considerar una tecnología de emisiones cero. Se considerará con emisiones cero si se utiliza hidrógeno puro.

Portable fuel cell

Portable y modular

Una central de celdas de combustible (stack) opera silenciosamente y además se puede conectar en serie -es modular- hasta lograr la potencia de salida deseada, instalándola en la misma zona a la que alimenta, evitando además inversiones en nuevas líneas para la transmisión y distribución de la energía y reduciendo las perdidas por la resistencia de la red eléctrica.

Estado actual de la tecnología (tipos de pilas)

A continuación se listan los tipos actuales de pilas según la tecnología de membrana de intercambio, dándose la siguiente información:

  • tipo: (1) estacionarias de gran tamaño (>10KWhe); (2) estacionarias de pequeño tamaño; (3) portátiles
  • % utilización a nivel mundial según tipo
  • aplicaciones
  • combustible
  • electrolito
  • observaciones

imageAlcalina (AFC)

  • 3
  • 30%
  • Producir electricidad y agua a bordo de naves espaciales
  • El electrolito es un álcali (hidróxido de potasio KOH)
  • Se envenena rápidamente con CO2

imageMembrana de intercambio (PEMFC)

  • 1 / 2 / 3
  • 10% / 11000 ud UPS / 70%
  • Generador de energía eléctrica y calor / UPS / juguetes, móviles, ordenadores portátiles
  • imageHidrogeno, metanol, propano y otros alcoholes
  • Electrodos de platino nano dispersados. Polímero de base de la membrana polimérica se llama nafion
  • Baja relación entre peso y volumen respecto a la energía producida

Metanol Dimageirecto (DMFC)

  • 3
  • 24%
  • Equipos portátiles
  • Metanol
  • Sólido
  • En desarrollo; rendimiento: 40%

imageÁcido fosfórico (PAFC)

  • 1
  • 35%
  • Generador de energía eléctrica y calor
  • Hidrocarburo (gas natural, gasolina), hidrogeno
  • Ácido fosfórico contenido en una matriz de carburo de silicio
  • Eficiencia: 85%

imageCarbonato fundido (MCFC)

  • 1
  • 40%
  • Generador de energía eléctrica y calor
  • CO2 procedente de gas natural o carbón
  • imageCompuesto por una sal de carbonato fundido, suspendido en una matriz cerámica de óxido de aluminio (LiAlO2)
  • Desventajas: durabilidad, opera a altas temperaturas y electrolito corrosivo. Alta eficiencia

Óxido sólido (SOFC)

  • image1
  • 15%
  • Generador de energía eléctrica y calor
  • Hidrogeno, gas natural
  • Electrolito dura membrana cerámica no porosa de óxido de zirconio,ZrO2 dopado con itrio
  • Opera a temperaturas muy elevadas

 

Principales compañías en el desarrollo de celdas de combustible

Nombre Localización Fabricación
Ballard Power Systems Inc Vancouver, Canada Suministra celdas a seis de las 10 mayores compañías del mundo del automóvil. También para autobuses, vehículos pesados, generadores de alta potencia y pequeñas celdas para equipos portátiles
International Fuel Cells Connecticut, EEUU Celdas para las misiones a Apolo y las lanzaderas Shuttle. Fabrica celdas de hasta 200kW para edificios comerciales
Energy Partners (EP) Florida, EEUU Celda de hidrogeno para el mercado del automoción
Energy Research Corporation (ERC) Connecticut, EEUU Celdas de carbonato sódico, utilizando metano como combustible y NaCO3, hasta 50 MW
MC Power Pennsylvania, EEUU Celdas de óxido sólido (ZrO2), combustible carbón pulverizado, potencia entre 200-500MW.
ElectroChem, Inc EEUU
H-Power EEUU
Plug Power, L.L.C. New York, EEUU Celdas de combustible reformando gasolina. Mercado del automoción

Anales de mecánica y electricidad . Mayo Junio 2002

Conclusiones

Las aplicaciones de las celdas de combustible abarcan una amplia variedad de productos y sectores de la sociedad. Incluso en la universidad de British Columbia, se está desarrollando una celda “pila” de combustible que genera electricidad sintetizando el azúcar de la sangre humana (40nW).
Si nos centramos en la utilidad en rebajar las emisiones de CO2 y CO, la utilización de combustible fósil o hidrocarburos en las celdas de combustible puede que sea un intervalo hasta que la tecnología permita franquear las dificultades de distribución, almacenamiento, costes y producción así como de manipulación del hidrogeno pudiendo así resolver una parte de las emisiones de gases de efecto invernadero. Es cierto que en la automoción se producirían menos emisiones de efecto invernadero pero en contrapartida sería necesario crear una enorme infraestructura para repostar. Además hay que considerar que el hidrógeno es extremadamente explosivo, y tiene un punto de ebullición muy bajo.

Puedo remarcar que las ciudades como Madrid y Barcelona utilizan ya autobuses con combustible hidrogeno. Pero me pregunto, si los excesos de combustible (hidrogeno) y los gases de residuo en la reacción de las celdas de combustible a largo plazo no generan otro desequilibrio a nivel planetario?

Notas

1. La celda de combustible produce energía mediante un proceso electroquímico y no por combustión.

2. Reacción en el ánodo: 2H2 → 4H+ + 4e
Reacción en el cátodo: O2 + 4H+ + 4e → 2H2O

3. η = 1 – (TF/TC)

 

Bibliografía

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