CELDAS DE COMBUSTIBLE

Introducción

Al señor William Grove se le atribuye ser ampliamente el “Padre de la Célula de Combustible.” Las visiones de Grove se ganaron de sus experimentos en 1839 en la electrólisis del agua. Grove razonó que debe ser posible invertir el proceso y debe reaccionar hidrógeno con oxígeno para generar electricidad. El término “la célula de combustible” (Fuel Cell) se acuñó en 1889 por Ludwig Mond y Charles Langer que intentaron construir el primer dispositivo práctico usando aire y el gas de carbón industrial.

Los esfuerzos a principios del Siglo XX por construir células de combustible que podrían convertir combustible proveniente del carbón directamente a electricidad continuaron fallando debido a una falta de comprensión de materiales.

Los primeros dispositivos de célula de combustible exitosos fueron el resultado de las invenciones del ingeniero Francis Bacon en 1932. Él mejoró los catalizadores de platino caros empleados por Mond y Langer con la célula de hidrógeno - oxígeno usando un electrolito alcalino menos corrosivo y electrodos de níquel baratos. Sin embargo, no fue hasta 1959, un cuarto de un siglo después, que Bacon pudo demostrar un sistema de 5 kilowatts práctico capaz de impulsar una máquina de soldadura. En octubre de ese mismo año, Harry Karl Ihrig demostró su famoso tractor de 20 caballos de potencia impulsado por célula de combustible.

En la década de 1950, por entonces una pequeña agencia federal llamada Administración Nacional de Aeronáutica y del Espacio (NASA), empezó a investigar en serio un generador compacto de electricidad de a bordo para proporcionar impulso para una próxima serie de misiones espaciales tripuladas. Después de desechar reactores nucleares como demasiado arriesgado, baterías como demasiado pesadas y de corta vida, la NASA optó por células de combustible.

La NASA consolidó en el futuro más de 200 contratos de la investigación en todos los aspectos de tecnología de célula de combustible. Hoy, después de abastecer fiablemente electricidad (y agua) al Apolo y otras misiones, las células de combustible han demostrado su papel en el espacio.

Principio de funcionamiento

Una celda de combustible es un dispositivo que utiliza procesos químicos para producir energía a partir de iones de hidrógeno y átomos oxígeno. Estos iones pasan a través de un electrolito (qué conduce electricidad), y reaccionan con los átomos de oxígeno. La celda de combustible produce corriente como una batería, pero al contrario de una ésta, nunca se descarga; la celda sigue produciendo energía mientras se disponga de

combustible. Esta energía es proporcional al tamaño (área) de los electrodos. Estas células pueden ser “apiladas” hasta llegar al nivel de energía que se desea alcanzar. En términos sencillos, las celdas de combustible combinan químicamente los gases de hidrógeno y oxígeno, para así producir agua y energía. La ecuación química básica de esta reacción es:

Tipos de celdas:Existen varias clases:

PEM (sigla en inglés de Membrana de Intercambio Protónico). Carbonato fundido. Ácido fosfórico. Oxido de sólidos. Alcalina (del tipo de combustible utilizado por el programa espacial de los EUA).

PEM:PEM (Membrana de Intercambio Protónico). El funcionamiento central de la PEM son dos electrodos (el ánodo y el cátodo), y una membrana electrolítica selectiva intercalada entre los dos electrodos. Los procesos físicos y electroquímicos que ocurren en cada electrodo son realmente complejos e involucran el uso de un catalizador, normalmente platino, para promover la reacción deseada. En términos simplificados, el catalizador separa el gas en protones de hidrógeno y en electrones libres. Los protones de hidrógeno atraviesan la membrana al lado del cátodo, y de nuevo con la ayuda de un catalizador, se combinan con el oxígeno. Los electrones no pueden atravesar la membrana y son forzados a fluir a través de un circuito externo que proporciona una corriente eléctrica. La electricidad producto de una sola célula es demasiado poca para el uso extendido. Para aumentar este rendimiento, se conectan células de combustible múltiples en serie o paralelo para construir una pila.

Para ver una animación del funcionamiento de una celda de este tipo diríjase a: www.hpower.com

Carbonato fundido:Las células de combustible de carbonato fundido son un tipo de célula de combustible directa que elimina procesadores de combustible externos. Metano (el ingrediente principal de gas natural) y vapor se convierten en hidrógeno-rico gaseoso en el ánodo reformador que es parte de la pila de combustible. La pila de combustible se compone de dos electrodos porosos en contacto con una sal fundida de carbonato de litio-potasio (LiKCO3) y opera aproximadamente a 650°C.

En el cátodo, oxígeno (O2) y dióxido de carbono (CO2) se convierten en los iones del carbonato. El electrolito permite emigrar al ánodo los iones del carbonato. En este, el hidrógeno reacciona con los iones del carbonato para formar agua y CO2, y se sueltan dos electrones. Conectando los dos electrodos a través de un circuito externo completa el flujo de electrones para generar electricidad de corriente continua.

La reacción electroquímica ocurrida en el ánodo de una celda de combustible de carbonato fundido es:

y en el cátodo:

La reacción de la celda global es:

Las plantas de celdas de combustible de carbonato fundido pueden lograr una eficacia eléctrica de 50 por ciento, que son considerablemente más alto que una planta de celdas de combustible de ácido fosfórico.

Las celdas de combustible de carbonato fundido funcionan a temperaturas muy elevadas y así son aptas para aplicaciones a gran escala, por ejemplo, en plantas eléctricas.

Ácido fosfórico:Estas células de combustible utilizan ácido fosfórico líquido como electrolito. En el ánodo se ioniza gas de hidrógeno para producir iones de hidrógeno y electrones. Los electrones viajan del ánodo al cátodo a través de un circuito externo. Los iones de hidrógeno viajan al cátodo a través del electrolito. En el cátodo el oxígeno reacciona con los iones de hidrógeno y los electrones para formar agua.

Entre los problemas relacionados al funcionamiento de estas celdas se puede mencionar el envenenamiento del ánodo por impurezas, tales como monóxido de carbono y sulfuro de hidrógeno, la corrosión a circuito abierto tanto del platino como del soporte de carbón y el sinterizado de las partículas del electrocatalizador durante el empleo prolongado de la celda.

El conjunto de celdas de combustible se arma acoplando en serie un número dado de celdas unitarias, repitiéndose la secuencia: ánodo – matriz con electrolito – cátodo – placa de grafito bipolar. Durante su funcionamiento a 150 – 190 ºC, el sistema se enfría con liquido o con aire. Celdas de este tipo pueden exceder las 10000 horas de uso continuo.

Oxido de sólidos:

Estos sistemas requieren temperaturas de operación muy altas que van de 900 a 1100 °C. La desventaja principal de este plan es esa temperatura de operación que requiere especializados y exóticos materiales para interconectarse con otros componentes de la pila. Esto lleva a un alto costo de la producción del material. Estas altas temperaturas también presentan un problema para el largo término de funcionamiento y fiabilidad de las celdas debido a los problemas de la oxidación de los materiales.

Una más nueva y más prometedora aplicación de la célula es el concepto de " Ánodo de Apoyo". Este plan tiene un ánodo espeso que actúa como la estructura de apoyo. El electrolito y cátodo son muy delgados en comparación. Este tipo de célula generalmente opera dentro de un rango de temperatura de 750 a 850 °C. El ánodo, cátodo y electrolito están hechos de materiales cerámicos para resistir las temperaturas.

A este rango medio de temperaturas, existen aleaciones de cromo que pueden usarse. Aquí, el término de largo funcionamiento ha sido mejorado aunque puede haber todavía un poco de degradación debido a la oxidación del metal. Una ventaja significante de las celdas de óxido sólido es que no necesita a un reformador externo o ' la mini-refinería ' para hacer hidrógeno. Debido a la alta temperatura de operación, se produce directamente hidrógeno a través de un proceso catalizador cualquiera dentro de la célula, o externo a la célula en la zona caliente. Monóxido de carbono, un contaminante en los sistemas de PEM es un combustible para las celdas de combustible de óxido sólido.

Celda de combustible tubular de óxido de sólidos

Alcalina:

Esta celda utiliza electrodos de níquel de doble porosidad para obtener un menisco estable del electrolito, hidróxido de potasio concentrado, dentro del electrodo. La celda funciona en un alto rango de temperatura y presión, aunque a los fines prácticos opera a 200 – 240 ºC y a altas presiones.

Una celda de este tipo, modificada para trabajar a bajas presiones, se utilizó en el proyecto espacial Apolo.

En los últimos años se han alcanzado importantes progresos en el diseño y desarrollo de este tipo de celdas. Así, se han construido módulos compactos con electrolitos circulantes y una potencia del orden de varios kW. En uno de estos sistemas, el electrolito es hidróxido de potasio al 30% y la reacción transcurre con formación de agua y liberación de calor con la consiguiente dilución del electrolito y elevación de la temperatura.

El dispositivo tiene una resistencia interna característica que depende del diseño, pero que es algo mayor que la de sistemas que operan con matrices. Para dar una idea de estas celdas podemos describir una unidad compacta de 7 kW que consta de 70 celdas en serie con un peso de 85 Kg, involucrando en ello el conjunto total de elementos: el generador de electrolito, la unidad de control electromecánico, el sistema de abastecimiento y el dispositivo de control electrónico.

Esquema de una celda de combustible de hidrógeno – oxigeno que emplea electrolito alcalino.

Usos

Las celdas de combustible tal vez serán el recurso energético del futuro, pero eso no significa que no existan hoy. Se han creado e instalado varios sistemas de celdas de combustible que están actualmente en uso. Aquí presentamos unos ejemplos:

Telecomunicaciones remotas:Las celdas de combustible pueden proveer energía confiable para operaciones delicadas. Se ha construido un sistema de celda de combustible que provee energía confiable durante todo el año para una estación de telecomunicaciones en un sitio aislado. Esta estación provee servicio telefónico para la tribu Yurok en el norte del Estado de California, E.U.A.

Fuentes de potencia auxiliar en naves espacialesLa alta eficiencia de conversión de celdas de combustible permite un aprovechamiento máximo de la energía química del combustible y, consiguientemente, se minimiza el peso del combustible que se debe transportar. Se han empleado celdas de combustible de Hidrógeno – Oxigeno como fuentes de potencia auxiliar en proyectos espaciales como Apolo y Géminis por nombrar algunos.

PC3A-2, esta celda de Se instalaron tres PC17C, esta celda deCombustible de 1.4 kW PC3A-2 como fuentes combustible de 12 kW hafue utilizada en las de energía en el modulo brindado energía eléctrica almisiones Apollo. de servicio del Apollo. Space Shuttle Orbiter Vehicle.

Instalación de la celda La celdas de combustiblePC15 de 30kW en el proveen de energía eléctricaLockheed Deep Quest y agua para beber duranteSubmersible. los viajes espaciales.

Vehículos impulsados por celdas de combustibles: En este campo, los sistemas electroquímicos de producción de electricidad (celdas de combustible y baterías) han alcanzado gran desarrollo. Se han fabricado vehículos accionados por baterías de celdas alimentadas con hidrógeno y oxígeno de depósitos criogénicos, alcanzando potencias de 30 a 50 kW y velocidades máximas del orden de 100 km/h, con una autonomía de 250 km.

Forty Foot Transit Bus Impulsado por celdas de combustible de 100 kW IFC.

Fuentes convencionales de energía: Se han desarrollado sistemas que utilizan hidrogeno proveniente del reformado del gas natural o de cortes livianos de petróleo que es enviado a través de redes de distribución a viviendas, establecimientos comerciales y pequeñas industrias, dotadas de celdas de combustibles del tipo hidrógeno – aire, para la producción local de electricidad. La reducción de los costos que resultaría en un mayor aprovechamiento de combustible y de la utilización de la red de distribución de gas natural hace sumamente atractivo este enfoque, limitado, sin embargo, por el alto costo inicial de las celdas.

Instalación de una planta Planta de celdas PC25 Instalación de una planta de celdas PC25™ para instaladas en una central de celdas PC25 en eluna estación de policia de datos del First National St. Vincent's Hospitalen Central Park, New York. Bank of Omaha, Nebraska. en New York.

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Instalación de una planta Planta de celdas PC25 Primer planta de celdas dede celdas PC25 en el en el Yankee Gas Services combustible PC25 instaldaHospital Kaiser en Office en Meriden, CT. en BOCES, New YorkSacramento, California.

Instalación de una plantade celdas de combustiblePC25 en South County Hospital, Wakefield, RI.

Fuentes para generación de potencia en gran escala:En los Estados Unidos se han desarrollado sistemas para generación de potencias en gran escala, en el orden de los 25 MW que utilizan ácido fosfórico y carbonatos fundidos como electrolito.

Fuentes de almacenaje y producción de electricidad: Algunos tipos de celdas de combustible, tales como las del hidrógeno – oxígeno, pueden utilizarse en combinación con reactores nucleares. Durante los periodos de menor consumo, parte de la energía producida en la reacción nuclear se utiliza para electrolizar soluciones acuosas produciendo hidrógeno y oxígeno que pueden alimentar a celdas de combustible durante los periodos de mayor consumo.

Ventajas y desventajas

Las celdas de combustible tienen el potencial de ser muy eficientes por las siguientes razones:

Las celdas de combustible tienen muy pocas partes móviles (bombas de reactivos y válvulas) que producen muy poca fricción.

Ninguna energía del combustible es perdida por calentamiento durante el proceso de conversión. El combustible es oxidado a baja temperatura en lugar de ser “quemado” a muy altas temperaturas como ocurre en la máquina de combustión interna.

Los rangos de eficiencia eléctrica son elevados, en comparación a los motores de combustión, que se ven limitados por el ciclo de Karnot, las celdas tienen una eficiencia de entre un 40 y un 60 por ciento dependiendo del tipo y diseño.

Si además de la electricidad también es aprovechado el calor producido la eficiencia puede alcanzar valores de entre 70 y 90 por ciento.

Las bajas emisiones son el resultado de la baja temperatura de oxidación y de la selección del combustible cuando se usa un reformador con hidrocarburos. En el caso del hidrógeno (el combustible ideal), el único subproducto es el agua.

Las celdas de combustible son silenciosas, apenas emiten 60 decibeles. Tienen gran flexibilidad de combustible: gas natural, gas de carbón, metanol y

otros combustibles que contengan hidrocarbonos. Esto permite el poder utilizarlas inclusive cuando las reservas de combustible primario se agoten.

Las celdas de combustible necesitan ser mejoradas en los siguientes puntos para hacerlas más prácticas para su producción en gran escala:

Reducir el tamaño y el peso de las celdas de combustible. La potencia específica de las celdas de combustible es aproximadamente 1/3 de los motores convencionales de gasolina. Esto significa que las celdas de combustible son aun relativamente grandes y pesadas comparadas con las maquinas convencionales.

Reducir los costos de fabricación de las celdas de combustible. El costo es actualmente muy alto, principalmente porque las celdas de combustible son construidas a partir de materiales caros y porque además son producidas en bajos volúmenes. En la medida que los problemas de manufactura sean solucionados, bajen los costos de los materiales y también las tolerancias de precisión, se deberá esperar una baja muy considerable en los costos.

La infraestructura de distribución de combustible necesita ser expandida. La infraestructura de distribución para el hidrógeno es hoy día muy limitada. Como otras celdas de combustible para hidrocarburos, alcoholes o amoniaco también son producidas, se espera que esto sea un problema menor.

A alta potencia, la eficiencia de las celdas de combustible decrece. Las celdas de combustible se vuelven menos eficientes a medida que son requeridas mayores potencias específicas de salida. Para mantener altas eficiencias, una celda de combustible de mayores dimensiones deberá ser utilizada lo cual conduce a problemas de peso y tamaño.

Actualmente se está trabajando sobre la última de manera que la se describirá brevemente y sin entrar en detalle. Se construyó un electrodo mediante procesos de mezclado, filtrado y prensado de los materiales. El electrodo fue varias veces optimizado hasta alcanzar la configuración deseada. Las celdas se armaron pegando cada uno de los electrodos a través de sus matrices. Entre en ánodo y el cátodo se encuentra la membrana de electrolito polimérico sólido, que tiene el aspecto de una filmina. Por afuera hay unas placas de grafito que tienen la función de colectoras de energía y a la vez de distribuidor de gas. Existen, entre las placas de grafito y el resto de la celda, unos sellos para evitar las pérdidas de gas por los laterales.

Los resultados logrados en las experiencias no fueron los ideales ya que se comprobó que la eficiencia de la celda construida es levemente inferior a la de una celda de combustible comercial, esto se debe a que las presiones con las que se trabajaba en el laboratorio no eran lo suficientemente altas debido a que los materiales utilizados no las soportarían.

Celda de combustible de polímero sólido desarrollada en los laboratorios del INIFTA

Conclusión

Como podemos observar las celdas de combustible serán (o son) una interesante y muy viable fuente de energía, fuente renovable, no contaminante y más barata que las actuales. Estas ventajas hacen que esta nueva tecnología este creciendo a pasos agigantados y que muchas empresas privadas y gubernamentales de diferentes países destinen fondos a su investigación y desarrollo.