9.6: Pilas de combustible
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Componentes de celdas de combustible y sistemas de celdas de combustible
Una pila de combustible es un dispositivo que convierte la energía química en energía eléctrica a través de la oxidación de un combustible. Al igual que las baterías, todas las celdas de combustible contienen un ánodo del cual fluyen electrones e iones, un cátodo desde el cual fluyen electrones e iones hacia, y un electrolito. Los electrodos son típicamente porosos, lo que facilita que el combustible y el oxidante lleguen al sitio de reacción, proporciona más área de superficie para que ocurra la reacción, permite una mayor corriente a través del electrodo y permite que se use menos catalizador [60, ch. 5]. El electrolito puede ser un líquido o un sólido. Ejemplos de electrolitos líquidos incluyen solución de hidróxido de potasio y solución de ácido fosfórico [128]. Ejemplos de electrolitos sólidos incluyen (ZrO\(_2\))\(_{0.85}\) (CaO)\(_{0.15}\) y (ZrO\(_2\))\(_{0.9}\) (Y\(_2\) O\(_3\))\(_{0.1}\) [60]. También como una batería, las celdas individuales pueden apilarse juntas en un paquete. Una sola pila de combustible puede tener un voltaje de celda de unos pocos voltios, pero varias celdas pueden empaquetarse juntas en serie para producir decenas o cientos de voltios de la unidad.
| Componentes de la pila de combustible |
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| Ánodo |
| Cátodo |
| Electrolito |
| Membrana |
| Catalizador |
| Combustible |
| Oxidante |
| Componentes del sistema de pila de combustible |
|---|
| Procesador de combustible |
| Placas de flujo |
| Sistema de recuperación de calor |
| Inversor |
| Otros productos electrónicos |
Además de estos componentes, las celdas de combustible a menudo contienen una membrana de polímero delgada, y los electrodos de las celdas de combustible a menudo están recubiertos con un catalizador que acelera la reacción química. Un material de ejemplo utilizado para hacer la membrana es una capa de poliestireno de 0.076 cm [60, ch. 10]. Otro ejemplo de membrana es el polibencimidazol que contiene ácido fosfórico [128, ch. 37]. Las membranas permiten que los iones, pero no el combustible y el oxidante pasen a través [60, ch. 10]. Además de permitir selectivamente el paso de iones, las membranas deben ser químicamente estables para no descomponerse en presencia del electrolito a menudo ácido o alcalino, deben ser aislantes eléctricos y deben ser mecánicamente estables [60, ch. 10]. Un catalizador útil acelera la reacción en los electrodos. Además, un buen catalizador no debe disolverse ni oxidarse en presencia del electrolito, combustible y oxidante [60, ch. 8]. Adicionalmente, solo debe catalizar la reacción deseada, no otras reacciones [60, ch. 8]. Ejemplos de catalizadores utilizados incluyen platino, níquel, acetilacetona y bronce de tungsteno sódico Na\(_x\) WO\(_3\) con\(0.2 < x < 0.93\), [60, ch. 6].
Durante el funcionamiento, el combustible y el oxidante se suministran continuamente al dispositivo. El combustible puede estar en forma de un gas como hidrógeno o monóxido de carbono gaseoso, puede estar en forma de un líquido como metanol o amoníaco, o puede estar en forma de un sólido como el carbón [60, ch. 10]. El gas oxígeno o aire que contiene oxígeno se usa típicamente como oxidante [60, ch. 10].
A menudo se incluyen componentes químicos, mecánicos, térmicos y eléctricos adicionales en todo un sistema de celdas de combustible. Algunos sistemas de celdas de combustible incluyen un procesador de combustible que descompone el combustible para convertirlo en una forma utilizable y que filtra las impurezas [141]. Por ejemplo, un procesador de combustible puede tomar carbón y producir hidrocarburos más pequeños que se utilizan como combustible. Además, el sistema de celdas de combustible puede contener placas de flujo que canalizan el combustible y el oxidante a los electrodos y canalizan los productos de desecho y el calor [141]. Algunas celdas de combustible incluyen sistemas de recuperación de calor, dispositivos termoeléctricos integrados que convierten parte del calor generado de nuevo en electricidad. Para los sistemas destinados a ser conectados a la red eléctrica, se incluyen inversores que convierten la energía de CC de la pila de combustible a CA. Un sistema de pila de combustible también incluye típicamente un sistema de control que regula el flujo del combustible y del oxidante, monitorea la temperatura del dispositivo y administra su operación general [128, ch. 37].
Tipos y Ejemplos
Las pilas de combustible pueden clasificarse de diferentes maneras. Una manera es por temperatura de funcionamiento:\(25-100 ^{\circ}\) C baja,\(100-500 ^{\circ}\) C media,\(500-1000 ^{\circ}\) C alta y muy alta sobre\(1000 ^{\circ}\) C [60, ch. 1]. Las reacciones químicas suelen ocurrir más rápidamente a temperaturas más altas. Sin embargo, un desafío del diseño de celdas de combustible de alta temperatura es que se deben seleccionar materiales que puedan soportar las altas temperaturas sin fundirse ni corroerse [60, ch. 2].
Al igual que con las baterías, otra forma de clasificar las pilas de combustible es como primaria o secundaria [60, ch. 1]. En una pila de combustible primaria, también llamada no regenerativa, los reactivos se utilizan una vez luego desechados. En las pilas de combustible secundarias, también llamadas regenerativas, los reactivos se utilizan repetidamente. Se necesita una fuente externa de energía para refrescar el combustible para su reutilización, y esta fuente puede suministrar energía eléctrica, térmica, fotoquímica o radioquímica [60, p. 515]. Tanto las pilas de combustible primarias como las secundarias han sido elaboradas con una variedad de combustibles orgánicos e inorgánicos [60, p. 515].
Otra forma de clasificar las pilas de combustible es como directa o indirecta [60, ch. 1,7] [128, ch. 37]. En una pila de combustible directa, el combustible se usa tal cual. En una celda de combustible indirecta, el combustible se procesa primero dentro del sistema. Por ejemplo, una pila de combustible indirecta puede tomar carbón y usar una enzima para descomponerlo en hidrocarburos más pequeños antes de la reacción de la celda [60, ch. 7].
Las familias de pilas de combustible a menudo se distinguen por el tipo de electrolito utilizado. Los ejemplos incluyen alcalinas que usan una solución de hidróxido de potasio como electrolito, ácido fosfórico, carbonato fundido y óxido sólido que usan electrolitos cerámicos sólidos. Otras veces, las pilas de combustible se clasifican por el tipo de membrana o el tipo de combustible utilizado. Dos de los tipos más comunes de celdas de combustible son las celdas de combustible de membrana de intercambio de protones y las celdas de combustible de metanol directo [128, ch. 37]. Las celdas de combustible de membrana de intercambio de protones utilizan gas hidrógeno como combustible, oxígeno del aire como oxidante, un electrolito sólido y un catalizador de platino [128] [141]. Operan a baja temperatura y se utilizan en autobuses, aplicaciones aeroespaciales y para energía de respaldo. Las pilas de combustible de metanol directo usan metanol como combustible. También suelen operar a temperaturas bajas o medias [128] y se utilizan para aplicaciones similares.
Consideraciones prácticas de las pilas de combustible
La historia de las pilas de combustible se remonta casi tanto como la historia de las baterías. El concepto de la pila de combustible data de alrededor de 1802 [3, p. 2,222] [60, p. v]. Las pilas de combustible de trabajo se demostraron en la década de 1830 [3, p. 222] [60, p. v], y el primer dispositivo práctico se construyó en 1959 a medida que los materiales puros se hicieron disponibles comercialmente [5, p. 46] [60, p. v, 26]. Si bien tanto las baterías como las pilas de combustible están disponibles comercialmente, las baterías han encontrado un hogar dentro de casi todos los automóviles, computadoras y dispositivos electrónicos, mientras que las pilas de combustible son productos más especializados. Hay una serie de limitaciones de la tecnología de celdas de combustible que han impedido un uso más generalizado. Una limitación es su costo. Algunas pilas de combustible utilizan platino como catalizador, y el platino no es barato. Algunas celdas que no utilizan catalizadores de platino tienen el problema de que su eficiencia se reduce en presencia de monóxido de carbono o dióxido de carbono, que comúnmente se encuentran en el aire. El gas hidrógeno o metano se utilizan como combustible en algunas celdas, y la entrega y almacenamiento de estos combustibles plantea desafíos. Adicionalmente, algunos de los sistemas más eficientes son grandes y requieren espacio fijo, refrigeración por aire o agua, e infraestructura adicional, por lo que estos dispositivos no se prestan a aplicaciones portátiles.
Las pilas de combustible tienen ventajas que conducen a aplicaciones útiles. Muchas pilas de combustible no producen salidas dañinas. Si se usa gas hidrógeno como combustible y el oxígeno del aire se usa como oxidante, el único subproducto es el agua pura. Es difícil encontrar un dispositivo de conversión de energía que genere electricidad y sea más fácil para el medio ambiente que este tipo de pila de combustible. La parte izquierda de la Fig. \(\PageIndex{1}\)muestra una fotografía de una celda de combustible de membrana de intercambio de protones. La parte derecha de la Fig. \(\PageIndex{1}\)muestra una imagen del agua formada durante su operación. La imagen se obtuvo mediante el método de radiografía de neutrones, y se tomó en el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología del Centro para la Investigación de Neutrones en Gaithersburg, Maryland. Estas cifras se utilizan con permiso de [150]. En algunas aplicaciones, la producción de agua es una ventaja principal. Los vehículos espaciales de la NASA han utilizado pilas de combustible para producir electricidad y agua pura desde los proyectos Gemini y Apolo que datan de la década de 1960 [3, p. 250]. También se han utilizado para producir electricidad y agua en submarinos militares desde la década de 1960 [3, p. 250]. Otra ventaja de las pilas de combustible es que pueden ser más eficientes que otros dispositivos que generan electricidad. Las unidades de alta temperatura y mayor potencia pueden tener eficiencias de hasta 65% [128]. Dado que algunas de las eficiencias más altas se logran en dispositivos de mayor temperatura y mayor potencia, las pilas de combustible han encontrado un nicho en aplicaciones grandes y estacionarias que generan kilovatios o megavatios de electricidad.
