Qu es una celda de combustible?Una celda de combustible es una eficiente batera elctrica que funciona con hidrgeno. Como residuo solo entrega agua y algo de calor.Cmo funciona una celda de combustible?Una celda de combustible consiste en dos electrodos separados por un electrolito. En el nodo se ioniza el hidrgeno, perdiendo un electrn el cual pasa por un circuito y genera energa elctrica. Por otro lado el hidrgeno llega al otro electrodo pasando por el electrolito y se combina con el oxgeno del aire lo que genera agua de residuo sin utilizar ningn tipo de combustin.Cmo se obtiene el hidrgeno?El hidrgeno se puede obtener de una forma muy fcil del agua.De qu forma?Este procedimiento es llamado electrlisis del agua, la ventaja de esta forma de obtener hidrgeno es que puede ser efectuada en cualquier lugar.Otra forma un poco menos "elegante" de obtenerlo es mediante aceite o gas natural. La manera es separando el hidrgeno del carbono de la sustancia, aunque de esta forma tenemos dixido de carbono de residuo.Qu aplicaciones se le pueden dar a la celda de combustible?Las celdas de combustible son muy verstiles y tiles, sobre todo en reas remotas como granjas, barcos, lugares extremos, bases militares o incluso estaciones espaciales. Las celdas de combustible en base a hidrogeno pueden ser pequeas, livianas y adems no tienen partes mviles. Un ejemplo de portabilidad es el telfono mvil prototipo presentado el ao pasado por NTT DoCoMo el cual se ve en la imagen inferior.

Este medio de energa es altamente fiable necesitando detenerse, en casos ptimos, un minuto cada 6 aos.Debido a que en el proceso de generar energa elctrica tambin se genera calor, y pensando en el uso hogareo, las celdas de combustible son multipropsito ya que el calor mencionado se podra usar por ejemplo para calentar agua o calefaccionar la casa. Hay quienes pronostican que incluso ser posible comercializar el excedente de energa elctrica (a travs del tendido elctrico).La industria automotriz ha hecho, y contina innovando diariamente en el desarrollo de la celda de combustible, entre el listado de marcas se encuentran: Peugeot, Citron, Renault, Volkswagen, Volvo, Mazda, Nissan, Toyota, Honda, entre otras compaas.Un ejemplo de automviles que usaran el mencionado medio para generar energa es el Honda FCX, que comenzar su produccin masiva en un par de aos segn la misma compaa.Existe tambin un submarino que funciona en base a las celdas de combustible, es el Type 212A, un submarino alemn que usa celdas desarrolladas por Siemens. Este submarino funciona con 9 propulsores y tiene autonoma de varias semanas bajo el mar.La Energa y el Cambio Climtico Mundial Fuentes de energa alternativa: energa de celdas de combustibleCmo lo hace la naturaleza?

No parece haber ninguna tecnologa renovable y no contaminante que se adapte a todos los lugares del mundo, o por lo menos no existe una que est disponible por el momento. Pero, qu pasar en el futuro? Existe algn mtodo para producir energa menos contaminante y que no dependa tanto del carbn, el petrleo ni el gas natural?Un posible candidato es la celda de combustible. Las celdas de combustible convierten permanentemente sustancias qumicas en electricidad a travs de una serie de reacciones qumicas. Sus ventajas son muchas. Las celdas de combustible son silenciosas y ms eficientes para obtener energa que la quema de combustibles fsiles. Muchas de ellas actualmente tienen una eficiencia de hasta el 60% y, con algunas modificaciones tecnolgicas podran alcanzar casi un 100%. En comparacin, las turbinas tienen una eficiencia de entre el 40 y el 50%, mientras que la eficiencia de los motores de combustin interna es de entre el 10 y el 20%.Fotografa cortesa delDepartamento de Energa de los Estados Unidos (ingls).Esto es una batera de celdas de combustible.

La mayora de las celdas de combustible utilizan hidrgeno como combustible en lugar de petrleo. Por lo tanto, no producen emisiones no contaminantes o muy poco contaminantes, lo que depende del tipo de celda de combustible. El agua y, para algunos tipos de celdas, el calor son los principales derivados del funcionamiento de las celdas de combustible. Si la celda puede utilizar combustible que no est purificado, se libera un poco de dixido de carbono (CO2). Sin embargo, la cantidad de estas emisiones es mucho menor que las que se producen al quemar carbn o gasolina.Aunque esto no significa que se eliminen completamente los combustible fsiles. El hidrgeno necesario para alimentar las celdas de combustible debe provenir de algn lado y no existe en el ambiente en forma independiente. Una de las fuentes inmediatamente disponibles de hidrgeno la constituyen los combustibles fsiles. Lo que significa que habr algunas emisiones en el proceso de obtencin de hidrgeno. Por lo tanto, las celdas de combustible no constituyen una fuente de energa completamente no contaminante, no an.En la actualidad, las celdas de combustible proporcionan electricidad y agua a las naves espaciales tripuladas de Estados Unidos. En diversos lugares del mundo, principalmente en China, Japn y Europa, se estn diseando automviles propulsados con hidrgeno. Pero las celdas de combustibles an deben sortear unos cuantos obstculos antes de que su uso se generalice. Se necesita crear una reserva de hidrgeno; es decir, an dependeremos del petrleo, el gas natural y el carbn, no como generadores de energa sino para crear el hidrgeno necesario para alimentar las celdas de combustible. Algunos otros aspectos importantes de las celdas de combustible son su tamao, peso, durabilidad y costo. Si analizamos un poco ms los distintos tipos de celdas de combustible veremos si podrn proporcionarnos energa en el futuro.Partes principalesUna celda de combustible es un dispositivo relativamente simple. Consta de dos electrodos: el nodo (electrodo negativo) y el ctodo (electrodo positivo). Todas las reacciones qumicas tienen lugar en los electrodos y, para acelerar la reaccin qumica, se recubren ambos electrodos con un catalizador. Esta celda de combustible tambin contiene un electrolito que transporta las partculas cargadas de un electrodo al otro. Pero la celda de combustible necesita dos cosas ms para que se produzca la reaccin: oxgeno y, por supuesto, combustible. La mayora de las celdas de combustible que estn en desarrollo utilizan hidrgeno como combustible.Las celdas de combustible de hidrgeno utilizan reacciones qumicas para producir electricidad. El hidrgeno ingresa a la celda y mediante una serie de reacciones qumicas se combina con el oxgeno para producir agua y electricidad.Haz clicpara ver una animacin.

En la celda de combustible de membrana de intercambio de protones o membrana de electrolito polimrico (PEM por su sigla en ingls), el hidrgeno ingresa por el nodo donde se divide en iones de hidrgeno y electrones. Los electrones llevan la carga hacia afuera de la celda mientras que los iones se mueven por la celda. En el ctodo, los iones reaccionan con el oxgeno y los electrones para formar agua.Cmo funcionaTodas las celdas de combustible de hidrgeno funcionan segn los mismos principios, sus variaciones dependen del tipo de celda. El hidrgeno ingresa a la celda a travs del nodo. All se lleva a cabo la oxidacin, que consiste en la eliminacin de los iones positivos (protones) de los tomos de hidrgeno a travs de una reaccin qumica en la que interviene el catalizador. El nodo es poroso para que el hidrgeno pueda pasar a travs de l. El ctodo tambin es poroso para que el oxgeno pueda pasar a travs de l.El electrolito conduce los iones cargados desde el nodo al ctodo. Sin embargo, a los electrones se los fuerza para que vayan a un circuito exterior. All, crean una corriente elctrica que se puede utilizar como energa.Ilustracin cortesa de laNASA.Diagrama simplificado de una celda de combustible. Se usan en vuelos espaciales.

La reduccin se lleva a cabo en el ctodo, donde los electrones se combinan con los iones positivos de hidrgeno y el oxgeno para formar agua. Esta agua drena desde la celda de combustible. Si se utiliza hidrgeno puro como combustible, no se generan emisiones. Si el hidrgeno no es puro, se generan tambin pequeas cantidades de otros gases. Algunas celdas de combustible operan a temperaturas muy altas y, por lo tanto, producen mucho calor.Sistemas de celdas de combustibleUna nica celda de combustible no produce suficiente electricidad para la mayora de los usos. Para producir una cantidad adecuada de energa, las celdas de combustible se colocan en bateras de celdas de combustible. El tamao de esta batera depende de la cantidad de electricidad necesaria para el uso previsto, el tipo y el tamao de la celda de combustible, su temperatura operativa y la presin de los gases involucrados.Algunos sistemas de celdas de combustible utilizan hidrgeno puro como combustible; sin embargo, muchas otras usan hidrgeno no purificado o hidrocarburos, como el metanol, la gasolina o el disel. El problema con estos combustibles radica en que contienen molculas, como las de sulfuro de hidrgeno o de carbonilo, y estas molculas pueden "envenenar" las celdas de combustible y reducir considerablemente su eficacia. Las celdas de combustible que utilizan este hidrgeno no purificado o combustibles hidrocarburos necesitan utilizar un procesador de combustible. Este procesador de combustible convierte el combustible rico en hidrgeno en una sustancia que la celda de combustible pueda utilizar. El tipo de proceso realizado depender del combustible. Con el hidrgeno casi puro slo es necesario filtrarlo. Los hidrocarburos deben convertirse en compuestos de gas hidrgeno y carbono, una mezcla denominada reformado. En algunos casos, este reformado tambin necesita que se lo procese para eliminarle las impurezas antes de que se lo pueda utilizar en la celda de combustible. Las celdas de combustible que operan a temperaturas muy altas pueden realizar este proceso en su interior. El proceso de reformado genera un poco de CO2, aunque siempre en menor cantidad que la que genera un tpico motor de combustin.La electricidad generada por las celdas de combustible constituye una corriente continua que fluye en una direccin. Sin embargo, la mayor parte de la electricidad que se le suministra a casas y empresas es de corriente alterna, que fluye en ambas direcciones en ciclos que se alternan. Tambin se deben controlar el flujo, el voltaje y la frecuencia de una corriente elctrica, por lo que las celdas de combustible necesitan inversores y acondicionadores de corriente para adaptar la electricidad generada.La pieza final de un sistema de celdas de combustible consiste en el sistema de recuperacin del calor. Las celdas de combustible generan bastante calor o muchsimo calor durante su funcionamiento, lo que depende del tipo de celda. A este calor se lo puede utilizar para producir vapor para operar una turbina o un generador y generar as ms electricidad. De esta forma se incrementa la eficiencia energtica de un sistema de celda de combustible.Fotografa cortesa delSMITHSONIANO (ingls).Ensamble de una celda de combustible alcalina de Prat & Whitney para una nave espacial Apolo, 1964.

Tipos de celdas de combustibleEn este momento estn en desarrollo muchas celdas de combustible en laboratorios de todo el mundo. Cada una de ellas utiliza distintos electrolitos y catalizadores y funcionan a diferentes temperaturas operativas. Entre otras diferencias podemos mencionar su eficiencia energtica y la durabilidad del material. Algunas de estas celdas de combustible deben funcionar slo a base de hidrgeno puro, en tanto que otras pueden extraer el hidrgeno de combustibles fsiles. Estas diferencias hacen que determinadas celdas de combustible sean ms adecuadas para usar en automviles o autobuses, mientras que otros tipos de celdas funcionan mejor para usos estticos, como la generacin de electricidad.Una de las primeras celdas de combustible desarrollada fue la celda de combustible alcalina. Este tipo de celda ha generado electricidad y agua en el espacio para el programa espacial de los Estados Unidos desde las misiones Apolo, en la dcada de 1960. Otra primitiva celda de combustible que an se utiliza es la celda de combustible de cido fosfrico. En este momento an funcionan ms de 200 unidades de estas celdas de combustible de primera generacin. La mayor parte de ellas producen electricidad para edificios, pero algunas propulsan vehculos como autobuses.Las celdas de combustible de carbonato fundido, originariamente desarrolladas a mediados de la dcada de 1960, hoy en da se fabrican para uso industrial, militar y en servicios pblicos. El motivo principal: funcionan a altas temperaturas, alrededor de 650C (unos 1.200F). Desde la dcada de 1950, los investigadores han trabajado con celdas de combustible de xido slido. Estas celdas tambin funcionan a altas temperaturas y por ello es muy probable que se las utilice para generar electricidad destinada a edificios y servicios pblicos.La celda de combustible de membrana de electrolito polimrico, tambin denominada de membrana de intercambio de protones (PEM) est en desarrollo con el fin de que reemplace los motores de gasolina y disel. Al igual que muchas de las otras celdas, en un primer momento estas celdas proporcionaron electricidad a las naves espaciales. Las celdas PEM viajaron al espacio con la misin estadounidense Gemini de la dcada de 1960. Estas celdas funcionan a una temperatura relativamente baja de 100C (212F), por lo que obtienen una capacidad operativa total bastante rpidamente, algo muy importante para su uso en transportes.Las celdas de combustible de metanol directo estn en sus primeras etapas de desarrollo, unos tres o cuatro aos detrs del resto de las tecnologas de celdas de combustible. Algn da, los pequeos dispositivos como computadoras porttiles y telfonos celulares se abastecern con celdas de metanol directo. Otro tipo de celda en desarrollo es la celda de combustible de zinc-aire. Esta celda es una especie de hbrido entre una batera tradicional y una celda de combustible. El nodo, que se hace de zinc, se desgasta con el tiempo y es necesario reemplazarlo. Algunos vehculos elctricos ya utilizan este tipo de celdas.Fotografa cortesa delSMITHSONIANO (ingls).Esta celda de combustible de carbonato fundido se encuentra en uso en el Laboratorio Nacional de Tecnologa Energtica del Departamento de Energa (DOE por su sigla en ingls) de Estados Unidos en Miramar, San Diego, California.

La mayora de las celdas de combustible utilizan hidrgeno derivado de combustibles fsiles, pero qu pasara si pudisemos reemplazar estos combustibles fsiles por un combustible renovable de hidrgeno? sta es la idea que da fundamento a las celdas de combustible regenerativas. El hidrgeno para la combustin se obtendr de la fisin del agua y, a su vez, el agua producida por la celda de combustible se convertir en hidrgeno a travs de la electrlisis. La electricidad necesaria para realizar estos procesos podra provenir de fuentes renovables de energa, como la energa solar o elica. Este enfoque se podra aplicar a cualquier tipo de celda de combustible de hidrgeno. Aunque este tipo de celdas eliminan el uso de combustibles fsiles y contaminantes, no existe por el momento la infraestructura necesaria para producir este tipo de energa a partir del hidrgeno. Sin embargo, la Administracin Nacional de Aeronutica y el Espacio (NASA por su sigla en ingls), el organismo estadounidense dedicado al espacio, est desarrollando un sistema regenerativo a pequea escala, alimentado por paneles solares, para utilizarlo en el espacio.HistoriaLas celdas de combustible cuentan ya con una larga historia. Los primeros experimentos datan de 1838, cuando William Robert Grove, un abogado y cientfico de Gales, cre la "pila de Grove". Ese dispositivo tena un electrodo de platino inmerso en cido ntrico y un electrodo de zinc inmerso en sulfato de zinc. Generaba 12 amperios de corriente a 8 voltios y Grove lo llam: batera de celda hmeda. Luego cre una celda de combustible que contaba con dos electrodos de platino. Uno de los extremos de cada electrodo se sumerga en cido sulfrico, mientras que el otro se sellaba en receptculos que contenan hidrgeno y oxgeno. El dispositivo produca una corriente estable entre los dos electrodos y una cantidad cada vez mayor de agua en los receptculos cerrados. Con este dispositivo, Grove pudo descomponer el agua y luego volver a formarla. Combin una cantidad de conjuntos de estos electrodos en una "batera de gas".En 1889 los qumicos britnicos Ludwig Mond y Charles Langer utilizaron aire y gas de alumbrado en un intento por construir una versin prctica de la batera de gas de Grove y llamaron a este dispositivo "celda de combustible".Ilustracin cortesa de Royal Society, Museo Nacional de Historia Natural.Diagrama de lacelda de combustible de William Robert Grove.

En 1932 el ingeniero britnico Francis Thomas Bacon modific el diseo de la celda de combustible de Mond y Langer. Bacon substituy la tela metlica de nquel por la de platino en los electrodos y reemplaz el cido sulfrico utilizado como electrolito por potasio alcalino, que es mucho menos corrosivo. A esto lo denomin la "pila Bacon", una primera versin de la pila alcalina. Pero no fue sino hasta 1959 que Bacon finalmente cre un dispositivo capaz de producir una cantidad considerable de energa. Su dispositivo produca 5 kilovatios que alimentaban una soldadora.Ese mismo ao Harry Karl Ihrig, ingeniero de la fbrica estadounidense de equipos agrcolas Allis-Chalmers, construy el primer tractor propulsado a celdas de combustible. Ihrig cre una batera de celdas de combustible de 1008 celdas, que propulsaba un tractor de 20 caballos de fuerza.El siguiente campen en produccin de energa mediante celdas de combustible fue el organismo estadounidense NASA. A principios de la dcada de 1960, la NASA necesitaba una forma de proporcionarles electricidad a los vuelos espaciales tripulados y las celdas de combustible eran la solucin. Eran ms seguras que la energa nuclear, ms barata que la solar y ms liviana que las bateras. Los problemas que la importacin de petrleo ocasion en la dcada de 1970 en los Estados Unidos incremento el inters por el uso de celdas de combustible en la Tierra. Los investigadores continan buscando las mejores combinaciones de combustible, electrodos y electrolitos para todo tipo de aplicaciones.Foto cortesa de Recopilacin de imgenes histricas al servicio de la ciencia (Science Service Historical Image Collection).El tractor experimental de Allis-Chambers que se ve en esta foto de 1959 utilizaba 1.008 celdas de combustible para propulsarse. El combustible consista en una mezcla de gases, principalmente propano y oxgeno.

TemasAn hay que recorrer un largo camino hasta que las celdas de combustible de hidrgeno puedan proporcionarnos energa para todas nuestras necesidades. Su inconveniente nmero uno es el costo: en este momento, las celdas de combustible son mucho ms caras que los motores de combustin interna que se utilizan actualmente para propulsar automviles. Tambin son ms caras que cualquier otro tipo de fuente de energa capaz de producir electricidad. Las celdas de combustible ms comunes cuestan alrededor de USD4.500 por kilovatio, mientras que un generador elctrico que utilice disel cuesta entre USD800 y USD1.500 por kilovatio y una turbina de gas natural cuesta USD400 por kilovatio. Los motores de automviles cuestan incluso menos, entre USD25 y USD30 por kilovatio. Por lo tanto, los costos operativos de las celdas de combustible deben bajar considerablemente para se pueda siquiera pensar en usarlas para producir la energa habitual de todos los das.Pero su costo no es el nico inconveniente que presentan. En este momento, las celdas de combustible an dependen de los combustibles fsiles para obtener hidrgeno. Si se llega a desarrollar otra fuente de hidrgeno, las celdas de combustible podran convertirse en una fuente de energa realmente no contaminante.Es ms, poco se sabe de la durabilidad y la confiabilidad de los equipos a largo plazo, especialmente por los niveles de temperatura que alcanza un vehculo. Otro inconveniente para su aplicacin en el transporte lo presenta el tamao y el peso del sistema completo. Adems de la batera de celdas de combustible, las celdas que operan a una temperatura menor necesitan un procesador, tanques de combustible, compresores y expansores de aire y sensores. Los motores de combustin interna son ms compactos.El calor que producen incluso las celdas que operan a menor temperatura debe recuperarse para su reutilizacin o enfriarlo y liberarlo. Por ltimo, no existe por el momento un sistema de suministro de hidrgeno.Seguramente todos estos inconvenientes se resolvern en su momento, pero por ahora las celdas de combustible siguen siendo tiles para aplicaciones limitadas.