LAS CELDAS DE COMBUSTIBLE

Una pila de combustible, también llamada célula o celda de combustible es undispositivo electroquímico de conversión de energía similar a una batería, pero sediferencia de esta última en que está diseñada para permitir el reabastecimientocontinuo de los reactivos consumidos; es decir, produce electricidad de una fuenteexterna de combustible y de oxígeno en contraposición a la capacidad limitada dealmacenamiento de energía que posee una batería. Además, los electrodos en unabatería reaccionan y cambian según cómo esté de cargada o descargada; en cambio,en una celda de combustible los electrodos son catalíticos y relativamente estables.

Los reactivos típicos utilizados en una celda de combustible son hidrógeno en el ladodel ánodo y oxígeno en el lado del cátodo (si se trata de una celda de hidrógeno). Porotra parte las baterías convencionales consumen reactivos sólidos y, una vez que sehan agotado, deben ser eliminadas o recargadas con electricidad. Generalmente, losreactivos "fluyen hacia dentro" y los productos de la reacción "fluyen hacia fuera". Laoperación a largo plazo virtualmente continua es factible mientras se mantengan estosflujos.

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

Tecnología

En el ejemplo típico de una célula de membrana intercambiadora deprotones (o electrolito polimérico) hidrógeno/oxígeno de una celda de combustible(PEMFC, en inglés: proton exchange membrane fuel cell), una membrana poliméricaconductora de protones (el electrolito), separa el lado del ánodo del lado del cátodo.

En el lado del ánodo, el hidrógeno que llega al ánodo catalizador se disociaen protones y electrones. Los protones son conducidos a través de la membrana alcátodo, pero los electrones están forzados a viajar por un circuito externo(produciendo energía) ya que la membrana está aislada eléctricamente. En elcatalizador del cátodo, las moléculas del oxígeno reaccionan con los electrones(conducidos a través del circuito externo) y protones para formar el agua. En esteejemplo, el único residuo es vapor de agua o agua líquida. Es importante mencionarque para que los protones puedan atravesar la membrana, esta debe estarconvenientemente humidificada dado que la conductividad protónica de lasmembranas poliméricas utilizadas en este tipo de pilas depende de la humedad de la

membrana. Por lo tanto, es habitual humidificar los gases previamente al ingreso a lapila.

Además de hidrógeno puro, también se tiene el hidrógeno contenido en otrasmoléculas de combustibles incluyendo el diésel, metanol (véase DMFC) y los hidrurosquímicos, el residuo producido por este tipo de combustibles además de aguaes dióxido de carbono, entre otros.

AplicacionesLas celdas de combustible son muy útiles como fuentes de energía en lugaresremotos, como por ejemplo naves espaciales, estaciones meteorológicas alejadas,parques grandes, localizaciones rurales, y en ciertos usos militares. Un sistema concelda de combustible que funciona con hidrógeno puede ser compacto, ligero y notiene piezas móviles importantes.

Aplicaciones de cogeneración (uso combinado de calor y electricidad) para viviendas,edificios de oficinas y fábricas. Este tipo de sistema genera energía eléctrica demanera constante (vendiendo el exceso de energía a la red cuando no se consume), yal mismo tiempo produce aire y agua caliente gracias al calor que desprende. Lasceldas de combustible de Ácido fosfórico (PAFC Phosphoric-Acid Fuel Cells) abarcanel segmento más grande de aplicaciones de cogeneración en todo el mundo y puedenproporcionar eficacias combinadas cercanas al 80% (45-50% eléctrico + el resto comotérmica). El mayor fabricante de células de combustible de PAFC es UTC Power, unadivisión de United Technologies Corporation. También se utilizan celdas decombustible de carbonato Fundido (MCFC Molten Carbonate Fuel Cell) con finesidénticos, y existen prototipos de celdas de óxido sólido (SOFC Solid-Oxide Fuel Cell).

Los sistemas electrolizadores no almacenan el combustible en sí mismos, por lo quenecesitan de unidades de batería externas, lo que supone un problema serio paraáreas rurales. En este caso, las baterías tienen que ser de gran tamaño para satisfacerla demanda del almacenaje, pero aun así esto supone un ahorro con respecto a losdispositivos eléctricos convencionales.

Existe un programa experimental en Stuart Island en el estado de Washington, dondela compañía Stuart Island Energy Initiative ha construido un sistema completo en elcual los paneles solares generan la corriente para hacer funcionar varioselectrolizadores que producen hidrógeno. Dicho hidrógeno se almacena en un tanquede 1900 litros, a una presión de 10 a 80 bar. Este combustible finalmente se utilizapara hacer funcionar una celda de combustible de hidrógeno de 48 V ReliOn queproporciona suficiente energía eléctrica para fines residenciales en la isla (véase elenlace externo a SIEI. ORG).

Protium, una banda de rock formada en la Ponaganset High School, en Glocester, fueel primer conjunto musical del mundo en utilizar celdas de combustible de hidrógenopara proveerse de energía. La banda utilizaba un Airgen Fuelcell de 1kW BallardPower systems. El conjunto ha tocado en numerosos eventos relacionados con las

celdas de combustible incluyendo el CEP de Connecticut, y el 2003 Fuel Cell Seminaren Miami beach.

Plug Power Inc. es otra compañía importante en el diseño, desarrollo y fabricación deceldas de combustible PEM para aplicaciones estacionarias, incluyendo productosdirigidos a las telecomunicaciones, energía básica, y aplicaciones de cogeneración.

Otros usos

Plantas de potencia Vehículos Eléctricos Sistemas Auxiliares de Energía Sistemas de apoyo a la red eléctrica

En la actualidad, los mayores problemas residen en los materiales de soporte y decatálisis. Según diversos autores (Venkatachalapathy, Davila et al. 1999), (Hoogers2003), un material electro catalizador debe satisfacer varios requisitos. Necesita, enprimer lugar, alta eficiencia en la oxidación electroquímica del combustible en elánodo, (e.g. H2 o CH4) y para la reducción del O2 en el cátodo. Una elevadadurabilidad es también un requisito fundamental: se espera que las PEMFCs funcionenal menos durante 10.000 horas. Es necesario que un electrocatalizador tenga unabuena conductividad eléctrica para reducir al mínimo las pérdidas por resistencia en lacapa del catalizador. Ha de tener finalmente un bajo coste de producción.