Pila de combustible

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, pero se diferencia de esta última 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 oxígeno1 u otro agente oxidante en contraposición a la capacidad limitada de almacenamiento de energía que posee una batería. Además, los electrodos en una batería 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, las cuales están limitadas por la eficiencia del Ciclo de Carnot. La eficiencia energética de una pila de combustible está generalmente entre 40-60%, o puede llegar hasta un 85% 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.

Es importante establecer las diferencias fundamentales entre las pilas convencionales y las pilas de combustible. Las baterías convencionales son dispositivos de almacenamiento de energía, es decir, 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, aunque las pilas de combustible podrían procesar una amplia variedad de reductores y oxidantes; 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, puede ser un reductor y 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.2 El agua que suministra esta clase de célula es la que usan los astronautas para beber.3

El mercado de las pilas de combustible está creciendo, y Pike Research estima que en 2020 se comercializarán de pilas de combustible estacionarias que alcanzarán los 50 GW.4

El fabricante de automóviles japonés Honda, la única firma que ha obtenido la homologación para comercializar su vehículo impulsado por este sistema, el FCX Clarity, en Japón y Estados Unidos, 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 aprovechar el proceso para generar electricidad y agua caliente para el hogar.

Índice [ocultar]

1 Historia

2 Tecnología

2.1 Tensión

2.2 Materiales

2.3 Consideraciones de diseño en las pilas de combustible

3 Sistemas de pilas de combustible

3.1 Celda unitaria

3.2 Apilamientos

3.3 Sistemas basados en pilas de combustible

4 Tipos de pilas de combustible

4.1 Pila de Combustible de Membrana de intercambio protónico (PEM)

4.2 Pila de combustible de Metanol (DMFC)

4.3 Pilas de Combustible Alcalinas (AFC)

4.4 Pila de Combustible de Ácido Fosfórico (PAFC)

4.5 Pila de Combustible de Carbonato fundido (MCFC)

4.6 Pila de Combustible de Óxido Sólido (SOFC)

4.7 Comparación entre los distintos tipos

4.8 Otros tipos de pilas de combustible

5 Comportamiento

5.1 La función de Gibbs y el potencial de Nernst

5.2 Rendimiento

5.3 Comportamiento real

5.3.1 Pérdidas por activación

5.3.2 Pérdidas Óhmicas

5.3.3 Pérdidas por concentración

5.4 Variables que afectan al funcionamiento

6 Aplicaciones de las celdas de combustible

6.1 Energía

6.2 Cogeneración

6.3 Vehículos de pila de combustible

6.3.1 Automóviles

6.3.2 Autobuses

6.3.3 Montacargas

6.3.4 Motocicletas y bicicletas

6.3.5 Aviones

6.3.6 Barcos

6.3.7 Submarinos

6.3.8 Estaciones de servicio

6.4 Sistemas de energía portátiles

6.5 Otros posibles usos

7 Economía y Medio Ambiente

8 Glosario de términos

9 Videos sobre pilas de combustible

9.1 Videos en español

9.2 Videos en inglés

10 Véase también

11 Referencias

11.1 Bibliografía

12 Enlaces externos

Historia[editar]

Artículo principal: Timeline of hydrogen technologies

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 con los primeros estudios del científico Christian Friedrich Schönbein en Suiza en 18385 y, paralelamente, con los estudios del físico y jurista galés Sir William Grove sobre baterías gaseosas, cuyos resultados publicaría en 1843. Hoy en día, se continúa con el empleo de estas células en diversas aplicaciones tanto portátiles (ejemplo: teléfonos móviles) como estacionarias (ejemplo: generación de energía para edificios), así como en diversos medios de transporte (desde submarinos hasta vehículos particulares). Sin embargo, su desarrollo ha atravesado periodos de olvido, debido a las numerosas dificultades técnicas que presentan en comparación con otros métodos de obtención de electricidad. El interés por las células de combustible, y por tanto su desarrollo, se ha dado en periodos de escasez de recursos energéticos - sirva como ejemplo, la crisis del petróleo de 1973 que precipita el desarrollo de tecnologías alternativas de energía, incluyendo las células de combustible6 -. Esto se debe a que estas células, cuando se comparan con otros dispositivos, tienen mayor eficiencia energética y por tanto se necesita 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".7 8 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 eran generados 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.

Una mejora a esta configuración original vino de la mano de Lord Rayleigh. Rayleigh se interesó por los trabajos de Grove y en 1882 presentó una nueva versión más eficiente, cuya mejora se debía al aumento de la superficie de contacto entre el platino, los gases reactivos y el electrolito.9

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.9

El desarrollo tecnológico de estos dispositivos experimentó un gran salto a mediados del siglo XX. 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, un electrolito de hidróxido de potasio concentrado al 85% y se alimentaba con hidrógeno y oxígeno.10 Esta pila, capaz de accionar una máquina de soldadura, en los años 60 a que las patentes de Bacon licenciadas por Pratt y Whitney en los Estados Unidos (al menos la idea original) fuesen utilizadas 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 que fue expuesto 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 misiones subsecuentes

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