Universidad Simón Bolívar

Departamento de Procesos Biológicos

Sección de Biofísica y Bioingeniería

Las Radiaciones, El hombre y El ambiente

ENERGÍAS ALTERNATIVAS:

PILAS DE COMBUSTIBLE DE HIDRÓGENO

Profesor: Antonio D’Alessandro

Alumna: Margarita Jimenez S. 09-10427

Caracas, marzo del 2015.

i

RESUMEN

Las fuentes de energía caracterizadas por el carbón y petróleo, permite el uso de transporte y

productos de consumo diario provenientes del funcionamiento de maquinarias. Asociado a ello, la

emisión de gases contaminantes, es una consecuencia que acompaña al nivel de producción y el

auge industrial trayendo como consecuencias a largo plazo, la aparición de fenómenos que afectan

la biosfera y la salud del ser humano. Es por ello, que ante la búsqueda de una tecnología limpia

igual o superior, en eficiencia, a las máquinas de combustión se ha llevado a cabo el desarrollo

equipos como las pilas de combustibles.

Las pilas de combustible trabajan por un la reacción inversa a la electrolisis, es decir, en lugar de

darse la formación de iones de hidrógeno y oxígeno ocurre la aparición de agua y energía eléctrica

en forma de electrones. Este método de energía actualmente se considera como una de las primeras

opciones para desplazar por completo a los combustibles fósiles y dar paso a un nuevo ciclo más

eficiente y de libre de contaminantes.

Sin embargo, la obtención de hidrógeno como materia prima necesaria para poner en marcha el

funcionamiento de una pila de combustible, resulta ser un negocio muy costoso que influye en la

distribución de las pilas de combustible a gran escala. Esta problemática, está siendo resulta

mediante propuestas a través del uso de los excedentes de producción de energía eólica, solar o

hidráulica, destinadas a la producción de hidrógeno mediante un electrolizador y utilizar el

mismo para inyectarlo en las pilas de combustible. En este contexto, la tecnología de las

pilas de combustible presenta numerosas características que otorga un prometedor futuro y

que poco a poco será difundida de manera masiva.

ii

ÍNDICE GENERAL

ÍNDICE GENERAL…………………………………………………………………………i

ÍNDICE DE FIGURAS……………………………………………………………………...ii

INTRODUCCIÓN………………………………………………………………………......1

CAPÍTULO 1 ANTECEDENTES………………………………………………………….4

CAPÍTULO 2 PILA DE COMBUSTIBLE………………………………………………....6

2.1. Mecanismo de oxidación- reducción…………………………………………...6

2.2 Pilas de combustible……………………………………………………………..7

2.3 Tipos de pilas……………………………………………………………………9

2.4 Pilas de combustible de hidrógeno……………………………………………..11

2.5 Aplicaciones……………………………………………………………………12

2.5.1. Aplicaciones estacionarias…………………………………………………..13

2.5.2 Aplicaciones móviles………………………………………………………..14

2.6 Ventajas de las pilas de combustible…………………………………………..14

2.7 Desventajas de las pilas de combustibles……………………………………...16

2.8 Futuro de las pilas de combustible ………………………………………….....16

CONCLUSIONES…………………………………………………………………………19

BIBLIOGRAFÍA…………………………………………………………………………...20

ANEXOS…………………………………………………………………………………...21

iii

ÍNDICE DE FIGURAS

Figura 1. Representación de la primera pila de combustible por W. Grove………………...4

Figura 2. Celda de Daniell…………………………………………………………………..6

Figura 3. Esquema de la estructura y funcionamiento de una pila de combustible………...8

Figura 4. Carro que funciona con una pila de combustible a escala pequeña……………...17

Figura 5. Esquema de proceso de una pila de combustible de hidrógeno surtido por energía

solar……………………………………………………………………………...................18

iv

INTRODUCCIÓN

Con la aparición del carbón y posteriormente del petróleo, el hombre ha transcendido de

un periodo de productividad agrícola a uno de escala industrial cuyas bases se mantienen

hasta nuestros días. El incremento exponencial de la población a medida que transcurren los

años, ha conllevado en el aumento de la demanda en productos y servicios dando origen a

nuevas empresas a nivel mundial, cuyos objetivos se traducen en cubrir las exigencias de

cada nación y su población. Al mismo tiempo, este auge económico, ha traído consigo el

incremento masivo de emisión de gases contaminantes, producto de la quema de

combustibles fósiles, considerados altamente nocivos para el ser humano y todo lo que le

rodea.

Actualmente, existen numerosas instituciones y organismos legales defensores del

ambiente y la salud, que luchan por alcanzar un equilibrio entre la industrialización y el

entorno natural en el cual habitamos. No obstante, la rentabilidad para la extracción y

procesamiento del crudo, desmotiva a muchos países a abanador esta práctica económica,

debido a que la misma representa un generador de grandes fluctuaciones de capital de

trabajo, invertido en sectores que van desde el transporte hasta la maquinaria, necesaria

para generar artículos de consumo directo como alimentos o medicinas. Mientras esta

realidad favorece a una gran parte de la población humana, países desarrollados como

Alemania o los Países Bajos, siguen siendo dependientes de los productores de

combustibles fósiles y de los precios impuestos en el mercado; es ante la búsqueda de

libertad económica y las leyes impuestas por el gobierno europeo a favor de la protección

de la salud, que actualmente se está dando un paso importante a otros tipos de energía más

limpios como el caso de las pilas de combustible.

La eficiencia de los motores de combustión interna se considera poco mejorable en el

estado actual de tecnología; por ese motivo el hidrógeno y las pilas de combustibles se

perciben como una gran solución para el ahorro energético de este sector y, sobre todo y si

el combustible proviene de fuentes renovables, para la reducción de emisiones

contaminantes. La nueva tecnología, asociada por el hidrógeno, incide directamente en el

1

transporte, responsable de aproximadamente el 30% de las emisiones de CO2 y el 35% del

consumo energético, ofreciendo la posibilidad de un transporte prácticamente sin

emisiones contaminantes y energéticamente más eficiente. Como todo nuevo desarrollo,

ésta también tiene grandes detractores y devotos seguidores, pero es indudable que, aunque

quedan aún muchos inconvenientes por resolver, el interés suscitado ha supuesto un

esfuerzo por parte del sector público como el privado para investigarla y hacer de ella una

realidad como principal fuente de energía. (Elías & Jurado, 2012)

Entonces, se pueden definir a las pilas de combustible como dispositivos que permiten

generar energía eléctrica, mediante procesos no contaminantes, y proporcionar energía

térmica para varias aplicaciones. Estas modalidades energéticas son posibles a partir de la

energía química de un combustible, mediante reacciones electroquímicas entre el

combustible y un oxidante. (Guervós, 2003). Asimismo, estos dispositivos pueden utilizar

varios tipos de materia prima ricos en hidrógeno, tales como el gas natural, gasolina,

biogás, alcoholes o el propano. La utilización de hidrocarburos genera derivados tales como

el CO y el CO2, pero dada la elevada eficiencia de estos dispositivos, para cantidades

equivalentes de energía eléctrica producida, las emisiones de CO2 pueden ser reducidas a la

mitad o menos, con el correspondiente beneficio medioambiental.

Por otra parte, las energías renovables y las tecnologías basadas en el hidrógeno, como

vector energético, actualmente se consideran como una excelente alternativa para

amortiguar, en parte, los aspectos negativos de un escenario energético altamente

contaminante. En este contexto, la tecnología de las pilas de combustible presenta

numerosas características que les otorga un prometedor futuro. Es por ello que como

objetivo general en este proyecto de investigación se tiene el “estudiar el proceso de

generación de energía de la pila de hidrógeno y su impacto en la industria como posible

suplente de las fuentes de energía ya presentes”.

A partir del objetivo planteado se derivan como objetivos específicos:

- Comprender la diferencia entre la pila de hidrógeno y las pilas comunes.

- Comparar la pila de hidrógeno con otras fuentes de energía renovables.

2

- Investigar y proponer alternativas eficientes para optimizar la producción de la pila

de hidrógeno.

Este trabajo de investigación se encuentra estructurado en base a las definiciones de sobre

las pilas de combustibles y la pila de hidrógeno, su funcionamiento y posición en el

mercado como posible fuente de energía principal, de manera de otorgar una visualización

de su importancia tanto para la población científica como para el resto de la población en

general.

3

CAPÍTULO 1

ANTECEDENTES

En 1830 fue la primera vez que se generó electricidad y se hizo directamente a través de

la energía química de una reacción. Fue Volta quien lo hizo, al construir la primera celda en

la que observó que introduciendo en agua salada dos placas metálicas, una de cobre y otra

de estaño, obtenía corriente eléctrica al conectarla exteriormente. Entonces no supo qué

utilidad darle ya que sólo se conocía la electricidad natural de los rayos y la electricidad

estática.

Posteriormente se descubrió el proceso inverso, llamado electrólisis, y en 1833 Faraday

enunció las primeras leyes de la electroquímica. En 1839 el inglés W. Grove –jurista de

profesión y físico de vocación- construyó la primera pila de combustible, apoyándose para

ello en sus razonamientos a raíz de los experimentos desarrollados en relación a la

electrólisis del agua. Su forma de proceder consistía en invertir el proceso de la electrólisis,

haciendo reaccionar hidrógeno y oxígeno para producir electricidad.

Figura 1. Representación de la primera pila de combustible por W. Grove.

La pila de combustible que construyó contaba con electrodos de carbón de madera y no

requería la disolución de metales, ya que la corriente eléctrica se conseguía a partir de la

reacción de los gases, hidrógeno y oxígeno, para formar agua. Por ello, se considera a

William Grove el verdadero artífice de la tecnología propia de las pilas de combustible.

Entre 1839 y 1889 Mond y Langer aspiraron a construir el primer sistema práctico,

utilizando para ello el aire y el gas industrial procedente de la hulla. En 1889 a los equipos

4

que utilizaban este principio se les denominó Pilas de Combustible o Fuel Cells, FC. A

principios del siglo XX, los intentos llevados a cabo en la operación de pilas de

combustible que pudieran convertir hulla o carbón directamente en electricidad, fallaron

debido a la falta de conocimientos relacionados con los materiales y la cinética de los

electrodos. Mientras tanto se iba desarrollando el motor de combustión interna y el

descubrimiento del petróleo y su rápida explotación, terminaron por perjudicar no sólo el

desarrollo de las pilas de combustible, sino también el de los vehículos eléctricos y otros

avances electroquímicos.

En 1932 surgieron los primeros prototipos relacionados con las pilas de combustible de

los ensayos llevados a cabo por Bacon. Logró mejorar los costosos catalizadores de platino

empleados por Mond y Langer con una pila de hidrógeno-oxígeno, usando para ello un

electrolito alcalino de alta corrosión y unos económicos electrodos de níquel. En 1959 se

logran vencer los retos tecnológicos y Bacon y sus colaboradores demuestran que un

sistema de 5kW es capaz de proporcionar la energía necesaria a una máquina de soldar.

También este año otros investigadores prueban un tractor de 20 C.V. alimentado por una

pila de combustible.

Finalmente, a finales de los años 50, la NASA comienza la búsqueda de un generador

compacto de electricidad que fuera capaz de proveer energía a una serie de futuras misiones

espaciales humanas. Después de despreciar los reactores nucleares, las baterías y los

paneles solares, la NASA se decidió por las pilas de combustible. Subvencionaron más de

200 proyectos de investigación relacionados con los aspectos más comunes a las pilas de

combustible y hoy en día, después de haber suministrado eficientemente electricidad, ya

han demostrado que son válidas para usos espaciales. En los años 60, después de los éxitos

obtenidos por la NASA, se predice que la solución a los problemas energéticos mundiales

sería la pila de combustible. (Gómez, 2002)

5

CAPÍTULO 2

PILA DE COMBUSTIBLE

2.1 Mecanismo de oxidación- reducción

Para estudiar el funcionamiento de la pila de combustible es necesario conocer el

mecanismo de oxido-reducción de una pila. El funcionamiento básico de una pila

tradicional está basado en la propiedad electroquímica de los materiales para oxidarse o

reducirse. La figura 2, representa un esquema básico de una pila Daniell consta de:

Figura 2. Celda de Daniell.

Electrodos. Son dos piezas de diferentes materiales que, sumergidos en sendas disoluciones

de sales que contienen sus cationes, se oxidan y reducen respectivamente generando un

flujo de electrones que constituyen la electricidad. Habitualmente se utiliza para designar el

conjunto de electrodo más electrolito o semicelda.

Ánodo. Es el electrodo donde tiene lugar la reacción de oxidación, liberando electrones que

fluirán a través de un material conductor hacia el cátodo, como el zinc. La oxidación del

material provoca la liberación de electrones y por lo tanto los átomos de zinc quedan

cargados positivamente, se repelen entre si y se disgregan entrando a formar parte de la

disolución que baña el electrodo. De esta manera el electrodo se va agotando a lo largo de

la vida de la pila.

6

Cátodo. Es el electrodo en el que ocurre la reacción de reducción, aceptando los electrones

provenientes del ánodo. Puede ser de cobre. Los electrones cargan negativamente el cátodo,

que atrae los cationes de cobre que hay en la disolución que baña al electrodo, formándose

cobre metálico que se deposita en el cátodo.

Electrolito. Es una disolución salina de metal respectivo al ánodo y cátodo. En el ánodo

una disolución de sulfato de zinc (ZnSO4) y en el cátodo una disolución de sulfato de cobre

(CuSO4). El electrolito actúa en el cátodo como aporte de cationes de cobre que se van

depositando en el electrodo, quedándose cargado negativamente por la presencia de aniones

de SO42+. Asimismo en el ánodo la liberación de cationes de zinc por parte del electrodo

cargaría positivamente la solución e impediría, debido a la repulsión eléctrica, que la

reacción de oxidación siguiera produciéndose. En ambos casos se debe conseguir la

neutralidad de las cargas en cada una de las semiceldas de la pila para que pueda seguir

funcionando.

Puente salino. Es un tubo que une los dos recipientes sin dejar circular ni mezclase las dos

disoluciones. Contiene un electrolito que puede ser KCl, NH4NO, KNO3, etc; y que aporta,

por ejemplo, cationes K+ a la solución catódica y aniones Cl- a la solución aniónica para

mantener la neutralidad. (Guervós, 2003)

2.2 Pilas de combustible

Las pilas de combustible son sistemas electroquímicos en los que la energía de una

reacción química se convierte directamente en electricidad. A diferencia de una pila

eléctrica o batería, una pila de combustible no se acaba ni necesita ser recargada; funciona

mientras el combustible y el oxidante le sean suministrados desde afuera de la pila. Es

decir, presenta una alimentación continua de los reactivos y además, sus electrodos son

catalíticos y relativamente estables.

Una pila de combustible consiste en un ánodo en el que se inyecta el combustible,

comúnmente hidrógeno, amoniaco o hidracina y un cátodo en el que se introduce un

oxidante, normalmente aire u oxígeno. Los dos electrodos de una pila de combustible están

7

separados por un electrolito conductor, que en muchas ocasiones en una pila de

combustible para automoción es una membrana intercambiadora de protones o electrolito

polimérico que permite el paso de protones pero no de electrones.

Su principio de funcionamiento es inverso al de una electrólisis. Por ejemplo, en la

electrólisis del agua, se separa este compuesto en sus dos componentes, hidrógeno y

oxígeno, mientras que en una pila de combustible se obtendría una corriente eléctrica por

medio de la reacción de estos dos gases:

Hidr ó geno+Ox í geno→ Electricidad+ Agua

El sistema opera con dos tipos de gases, combustible y oxidante; que pasan a través de las

superficies del ánodo y cátodo opuestas al electrolito, respectivamente, y generan energía

eléctrica por oxidación electroquímica del combustible, generalmente hidrógeno, y la

reducción electroquímica del oxidante, normalmente oxígeno.

Se transforma entonces la energía química, almacenada en el enlace H-H de la molécula

H2, en energía eléctrica y vapor de agua.

Figura 3. Esquema de la estructura y funcionamiento de una pila de combustible.

El hidrógeno fluye hacia el ánodo donde un catalizador como el platino facilita su

conversión en electrones y protones (H+). Estos atraviesan la membrana electrolítica para

combinarse con el oxígeno y los electrones en el lado del cátodo (una reacción catalizada

también por el platino). Los electrones, que no pueden atravesar la membrana de electrolito,

8

fluyen del ánodo al cátodo a través de un circuito externo y alimentan los dispositivos

eléctricos. La Figura 3 muestra una sola celda electroquímica que produce

aproximadamente 1 Voltio. Para aplicaciones de potencia se apilan muchas de estas celdas

para formar la pila de combustible, cuyo voltaje aumenta en proporción al número de

celdas apiladas.

Para resumir la estructura de una pila de combustibles se deben mencionar las diversas

partes que la constituye:

- Electrodos (ánodo, donde se reduce el H2 y cátodo, donde reacciona H+ y O2)

- Electrolito (separa los gases, permite el paso de iones H+ al cátodo y separa los e-)

- Placas bipolares (que separan las celdas, “conducen” los gases y evacúan H2O)

- Una pila de combustible es una asociación de celdas de combustible.

En términos generales, una pila de combustible es un apilamiento (con conexiones

internas en serie) de células o celdas individuales. Estas celdas están formadas por dos

electrodos donde se producen respectivamente la oxidación del hidrógeno y la reducción

del oxígeno, y por un electrolito que permite el intercambio de los iones que generan

ambas reacciones. Uniendo cada dos celdas existe un elemento de unión, denominado

normalmente placa bipolar (que además facilita la canalización de los gases), el cual

permite la circulación de los electrones, que pasando por el circuito externo, completan las

reacciones.

2.3 Tipos de pilas

Las pilas de combustible se clasifican por el tipo de electrolito empleado. Dependiendo

del electrolito, se producirán diferentes reacciones químicas en la propia pila, así como

diferentes agentes catalíticos, rangos de temperatura, combustible requerido y algunos otros

factores. Estas características, a su vez, determinan el tipo de aplicaciones para las que son

más apropiadas estas pilas. Actualmente se está investigando en varios tipos de pilas de

combustible, con sus ventajas, limitaciones, y posibles aplicaciones. Entre las más

prometedoras se encuentran:

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- Membrana polimérica (PEM)

- Ácido fosfórico (PAFC)

- Conversión directa de metanol (DMFC)

- Alcalina (AFC)

- Carbonato fundido (MFCF)

- Óxido sólido (SOFC)

- Reversible (Regenerativa)

Tabla 1. Tipos de pilas de combustible.

Para que el funcionamiento de estos dispositivos sea operativo, se deben utilizar

catalizadores y electrolitos que solo actúan con hidrógeno muy puro, que resulta caro de

producir y complicado de almacenar y transportar, por lo que se opta en utilizar otro tipos

de combustibles como el alcohol metílico o metanol. El metanol es compatible con los

actuales sistemas de transporte de combustibles y ya se usa en muchos motores.

10

Á nodo :CH 3OH (l )+6OH−¿ (aq )→ 5 H 2 O ( l)+CO2 ( g)+6e−¿¿¿

Electrolíto : polímeros

Cátodo :O2 (g )+4 e−¿+2 H 2O (l) → 4 OH−¿ ( aq ) ¿¿

Una desventaja del metanol, sin embargo, es el fenómeno de “arrastre electro-osmótico”

en el cual los protones que se mueven a través de la membrana electrolítica polimérica de

intercambio de protones que separa el ánodo del cátodo, arrastran con ellos agua y metanol

hacia el compartimiento de cátodo. En el cátodo, el potencial es suficiente como para

oxidar CH3OH a CO2, reduciendo por lo tanto la eficiencia de la pila. Una solución a ello

podría ser encontrar un cátodo que fuese selectivo para la reducción del oxígeno, de

manera que el metanol filtrado no se oxide.

Es importante señalar que una nueva tecnología en surgimiento y que resulta interesante

es la pila de de biocombustible. Una pila de biocombustible es como una pila de

combustible convencional; sin embargo, en lugar de un catalizador de platino, utiliza

enzimas o incluso organismos enteros. La electricidad se obtiene a través de moléculas

orgánicas que pueden soportar la transferencia de electrones.

En definitiva, dependiendo del tipo de pilas de combustible, se puede que presentan

eficiencias que se encuentran entre un 40% y hasta un 70%. No obstante, la selección de un

tipo de pila adecuado involucra otros factores como la materia prima, mantenibilidad,

costos y sobre todo que sea, en su mayoría, amigable con el ambiente.

2.4 Pilas de combustible de hidrógeno

En una versión simple de la pila de combustible, un combustible como el gas de

hidrógeno pasa sobre un electrodo de platino, el oxígeno pasa sobre otro electrodo similar,

y el electrolito es hidróxido de potasio acuoso, a su vez una membrana porosa separa los

dos compartimientos de los electrodos.

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Son posibles muchas variedades de pilas de combustible, y en algunas de ellas el

electrolito es una membrana sólida de un polímero o una cerámica. Tres de las pilas más

prometedoras son la pila de combustible alcalina, la pila de combustible de ácido fosfórico

y la pila de combustible de metanol.

La pila de hidrógeno-oxígeno se le puede llamar pila de combustible alcalina, porque

tiene un electrolito alcalino:

Ánodo:2 H 2 (g )+4 OH−¿ (aq )→ 4 H 2O (l) +4 e−¿¿ ¿

Electrolito : KOH (aq)

Cátodo :O2 (g )+4 e−¿+2 H 2O (l) → 4 OH−¿ ( aq ) ¿¿

Si se utiliza un electrolito ácido, se produce agua solamente en el cátodo. Un ejemplo es

la pila de combustible de ácido fosfórico:

Á nodo :2 H 2 ( g )→ 4 H+¿ (aql ) +4 e−¿¿ ¿

Electrolito : H 3 P O4 (aq)

Cátodo :O2 (g )+4 H+¿(aq)+4 e−¿ →2 H2 O❑( l )¿ ¿

Las pilas de combustible de hidrógeno son las fuentes de energía más atractivas, dado que usa un

combustible renovable. El hidrógeno puede obtenerse a partir del agua de los océanos. El desafío es

extraerlo del mar utilizando energía solar y encontrar formas seguras de almacenarlo y

transportarlo. Una posibilidad para las pilas de combustibles de hidrógeno portátiles es

almacenar el hidrógeno en nanotubos de carbono, ya que pueden retener grandes cantidades

de hidrógeno y proveer densidades de energía dobles de la que provee la gasolina.

2.5 Aplicaciones

En la actualidad, se contempla la utilización de las pilas de combustible como fuentes de

energía en aplicaciones móviles en el sector de la automoción; en aplicaciones estacionarias

en lugares remotos y núcleos urbanos, para el suministro de electricidad y/o agua caliente y

12

calefacción; y como fuente de alimentación en equipos portátiles, tales como cargadores de

teléfonos móviles, cámaras de vídeo, ordenadores.

2.5.1 Aplicaciones estacionarias

Las pilas de combustible de potencia inferior a 1 kW son muy atractivas para el

suministro de potencia a equipos que operan en lugares remotos o aislados, en zonas rurales

o montañosas; aquellas con un tendido eléctrico bastante inviable. En estos escenarios se

requieren fuentes de alimentación fiables y con tiempos de operación largos, a fin de

minimizar los costes de mantenimiento o sustitución de dichas fuentes. La alta densidad de

potencia o potencia específica permite tiempos de operación más largos que los de las

baterías convencionales.

En cuanto a las pilas de combustible de potencia entre 1 y 10 kW, están pensadas

fundamentalmente para aplicaciones residenciales en zonas rurales y urbanas. En general,

se utilizan en modo de cogeneración, para la producción de electricidad, agua caliente, y

calefacción. La mayoría de los sistemas de uso en aplicaciones residenciales utilizan pilas

de combustible de baja temperatura, principalmente pilas de combustible poliméricas

(PEMFC).

2.5.2 Aplicaciones móviles

Por lo que respecta a las aplicaciones móviles, a partir de los años 80, el desarrollo de pilas de

combustible para la propulsión de vehículos ligeros y pesados ha ido en continuo aumento, a partir

de la necesidad urgente de automóviles, camiones y autobuses más eficientes y limpios, capaces de

operar con combustibles tradicionales (gasolina, diesel) y con combustibles alternativos (hidrógeno,

bioetanol, gas natural y otros hidrocarburos).

Con hidrógeno, la emisión a la atmósfera es nula. Con cualquier otro combustible, es necesario

disponer de un sistema de conversión del combustible primario a hidrógeno.

En este proceso se genera dióxido de carbono, si bien las emisiones que resultan de la

transformación del combustible son mucho menores que las de los motores de combustión interna

13

convencionales. Por tanto, los vehículos que utilizan pilas de combustible ofrecen las ventajas de

los motores eléctricos, y la ausencia de partes móviles hace que estos vehículos sean menos

ruidosos y que los costes de mantenimiento sean menores que los de los vehículos actuales.

Otro tipo de aplicaciones móviles con gran potencial es la de vehículos especiales, como sillas de

ruedas o transportadores eléctricos, en los que las pilas de combustible proporcionan gran

autonomía, entre otras ventajas. (Gómez, 2002)

2.6 Ventajas de las pilas de combustible

Entre los aspectos positivos que se encuentran en la pila de combustible, en especial, de

hidrógeno se encuentran:

- Emisión cero contaminantes

La primera ventaja de la pila de combustible se encuentra de la reducción de la

contaminación. Al ser el combustible hidrógeno, los productos obtenidos en la reacción

electroquímica catalizada de la pila de combustible entre el hidrógeno y el oxígeno son

agua, calor y electricidad, en lugar de dióxido de carbono, óxidos de nitrógeno, óxidos de

azufre y otras partículas producidas en la combustión de combustibles fósiles, como el

petróleo o el carbón. Para conseguir hidrógeno puro, los combustibles fósiles tienen que

pasar primero unos procesos para extraerlo. En este proceso las emisiones de CO2 y otros

contaminantes, son únicamente una fracción de los que se producen durante la combustión

de la misma cantidad de combustible.

- Alta eficiencia en el uso del combustible

El hecho de la conversión directa del combustible a energía a través de una reacción

electroquímica, hace que las pilas de combustible puedan producir más energía con la

misma cantidad de combustible si se compara con una combustión tradicional. La pila de

combustible al no ser una máquina térmica, no tiene perdidas de energía en fricción,

escapes en forma de calor y otros desmejoras, lo cual permite alcanzar un rendimiento

teórico del 100%, pero esto no es posible, debido a los materiales usados en su creación o

en el aprovechamiento de la energía generada, pero aun así, llega a tener unos porcentajes

14

de aprovechamiento muy altos, empezando desde el 40% y llegando hasta el 70%. El hecho

de poder utilizar también el calor desprendido de la reacción, ayuda a llegar a tan elevadas

eficiencias energéticas. (Elías & Jurado, 2012)

- Independencia de la red eléctrica

Otra ventaja de las pilas de combustible, usadas a nivel doméstico, como en el hogar, es

que mediante un sistema de celdas de combustible residencial, se conseguiría

independencia de la red eléctrica, la cual puede tener fallos, como un corte de la corriente,

que puede producir graves daños a algunos sistemas informáticos u otros equipos.

- Ventajas frente a las baterías tradicionales

Las celdas de combustible proporcionan una reducción del peso y del tamaño para la

misma cantidad de energía disponible respecto a las baterías tradicionales.

Para aumentar la producción de energía de una pila de combustible, solo hay que

proporcionarle más combustible, mientras que para aumentar la producción energética de

una batería, hay que colocar baterías adicionales, lo cual ocuparía mayor espacio, y

aumentaría el peso. La pila de combustible no deja nunca de funcionar mientras haya

combustible, mientras que la batería cada vez que se agota, necesita un proceso largo de

reposición de la energía eléctrica.

- Simplicidad de la pila de combustible

Las pilas de combustible no tienen partes móviles, esto, permite un diseño más simple,

una mayor fiabilidad y operatividad y un sistema que es menos propenso a estropearse.

Aparte las pilas de combustibles son silenciosas, y esto permite usarlas en entornos

urbanos.

15

2.7 Desventajas de las pilas de combustibles

Entre las limitaciones o desventajas presentes en las pilas de combustibles de hidrógeno se tienen:

- Producción del hidrógeno

La producción del hidrógeno resulta un proceso costoso, debido a que este no se encuentra

en la naturaleza como materia prima, sino que se extrae de otras materias primas, y esto

resulta un proceso costoso. Además, el proceso de licuar el hidrógeno, es una tarea con un

elevado gasto energético que implica un nivel de contaminación no alto en comparación a

los procesos diarios con hidrocarburos pero si presente.

- Almacenamiento del hidrógeno

Almacenar el hidrógeno, no es una tarea barata y fácil, los sistemas de almacenamiento y

distribución del hidrógeno, generan varias dificultades y numerosos gastos.

- Coste elevado en su producción

Al no producirse aún a gran escala, esto provoca altos costes en la producción de las pilas

de combustible, y algunos elementos de la pila, como el platino, son realmente caros. Se

estima que la producción de un coche con pila de combustible, resulta alrededor de un 30%

más caro que un coche actual de prestaciones similares. Esto viene provocado, por ser una

tecnología en pleno desarrollo, y tener muy baja demanda.

2.8 Futuro de las pilas de combustible

Los sistemas de pilas de combustible se caracterizan por sus reducidas emisiones. Si solo

se utiliza hidrógeno (derivado de fuentes renovables) como combustible en las celdas, se

obtendrá vapor de agua y electricidad. La utilización de hidrocarburos para la producción

de hidrógeno eliminaría prácticamente las emisiones de óxidos de nitrógeno y monóxido de

carbono. Considerando también que sus eficacias son potencialmente superiores a las de los

motores de combustión interna, las emisiones de dióxido de carbono se verían además

reducidas.

Las pilas de combustible pueden ofrecer la respuesta a diversos requerimientos

energéticos. La eficacia de estos dispositivos no depende del tamaño como sucede en otros

16

sistemas energéticos. Este hecho permite su aplicación en sistemas de energía

miniaturizados y portátiles. Su eficacia es potencialmente superior a cualquier otro sistema,

haciéndolas particularmente atractivas para aplicaciones estáticas de alta o baja energía.

Además, las celdas de combustible suponen actualmente una esperanza real dentro del

mercado del transporte.

En el futuro, las pilas de combustible podrían dominar en este sector, con el hidrógeno

para sustituir el combustible de petróleo que se utiliza en la mayoría de los vehículos de

hoy en día. Actualmente, muchos fabricantes de vehículos se encuentran activamente

investigando y desarrollando tecnologías de pila de combustible de transporte.

Para entender el alcance que estas investigaciones implican, se puede estudiar el

funcionamiento de un vehículo de hidrógeno a escala de laboratorio, que en primer lugar es

necesaria de la obtención el hidrógeno que se va a utilizar como combustible. Para ello se

parte de agua destilada que haciéndola pasar a través de los electrolizadores y mediante

aplicación de una fuente de energía eléctrica o placas solares, se descompone en hidrógeno

y oxígeno.

Figura 4. Carro que funciona con una pila de combustible a escala pequeña.

El hidrógeno y oxígeno pasan a través de conductos a los electrodos de la pila de

combustible, en este caso de tipo PEM (pila de combustible de membrana polimérica). En

los electrodos se producirán las reacciones químicas explicadas anteriormente, de manera

que los protones H+ pasan a través del electrolito, y se combinan con el oxígeno generando

la energía suficiente para que el coche se ponga en funcionamiento. Como elemento

17

residual se obtiene vapor de agua, único producto que saldría por el tubo de escape si se

tratase de un vehículo a escala real. (National Geographic)

Retomando la visión futurista de las pilas de combustible, el hidrógeno surge como un

nuevo "vector energético", es decir, un transportador de energía primaria hasta los lugares

de consumo que ofrece, además, importantes ventajas. El hidrógeno se presenta así como

uno de los mejores candidatos para ser "el combustible del futuro".

Figura 5. Esquema de proceso de una pila de combustible de hidrógeno surtido por energía

solar.

Se puede obtener hidrógeno a partir de fuentes de energía renovables como la eólica,

fotovoltaica o hidráulica, mediante la electrólisis del agua, constituyendo un proceso cíclico

totalmente limpio. También puede producirse a partir de la biomasa por descomposición

térmica o biológica, o bien de los propios combustibles fósiles como el gas, el petróleo o el

carbón. En fin, las tecnologías en procesos de hidrógeno y pilas de combustible son un

nuevo campo prometedor que va encaminado hacia la nueva economía llamada del

hidrógeno, que se espera sea comercial en los próximos años y que requerirá más de

100.000 técnicos muy especializados en la materia. (Grupo SanValero )

18

CONCLUSIONES

Analizando el funcionamiento de la pila de combustible, se conoció que la misma trabaja

con diferentes tipos de materia prima que contienen hidrógeno necesario para la producción

de electricidad. De esta manera, se puede establecer que la diferencia más significativa

entre la pila de combustible de hidrógeno y una pila convencional se traduce en que la

segunda, se desgasta con el tiempo debido al límite de trabajo de sus componentes y

productos químicos, mientras que la pila de combustible permite recargar continuamente

hidrógeno como fuente del proceso electroquímico permitiendo largos periodos de vida y

una alta eficiencia.

Por otra parte, la pila de combustible de hidrógeno se considera como un sistema de

obtención de energía limpia, debido a la no producción de gases de CO2 y otros

componentes dañinos para el ambiente y el ser humano. Sin embargo, existen otros

métodos de obtención de energía verde que podría acaparar su atención ante la comunidad

científica y los consumidores, como el caso de los biocombustibles y la energía solar.

Ambos, permiten reducir la emisión de gases contaminantes pero si se comparan con la

eficacia de la pila de combustible, ésta presenta mayor ventaja dado a su versatilidad en

cuanto a tamaño, cantidad de energía producida y agua; a partir de la cual se obtiene

nuevamente hidrógeno permitiendo alcanzar una tecnología cíclica sin recurrir en la

explotación exponencial de materia prima.

Aunque las pilas de combustible de hidrogeno representan una solución futura a los

problemas adyacentes al consumo de los combustibles fósiles y sus desechos, la misma

presenta desventajas asociadas al hidrogeno como combustible principal. El hidrogeno es

un gas cuya producción es costosa e infuyente, el cual significa un bajo margen en la

contaminación del ambiente respecto a otras fuentes. Es por ello, que ante la problemática

expuesta una de las soluciones más viables se refiere a la obtención del hidrogeno a partir

de las otras fuentes de energía renovable de manera de establecer un equilibrio sin requerir

directamente al uso de la electricidad u otros métodos tradicionales.

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BIBLIOGRAFÍA

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Pilas de combustible: http://www.cnh2.es/info-h2/pilas-de-combustible/

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Díaz de Santos .

- Gómez, P. (abril de 2002). Pilas de Combustible. Energía sin humos. Recuperado el

24 de febrero de 2015, de http://www.cienciateca.com/fuelcells.html

- Grupo SanValero . (s.f.). Recuperado el 26 de febrero de 2015, de Cursos de

Proceso de Hidrógeno: http://www.seas.es/cursos/hidrogeno-y-pilas-de-combustible

- Guervós, M. E. (15 de marzo de 2003). Tecnología para el Hidrógeno: Pila de

Combustible. Recuperado el 23 de febrero de 2015, de

http://estherguervos.galeon.com/31tec.pdf

- National Geographic. (s.f.). Recuperado el 25 de febrero de 2015, de Pilas de

Combustible: http://www.nationalgeographic.es/medio-ambiente/calentamiento-

global/fuel-cell-profile

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ANEXOS

A. Observaciones de la presentación

La presentación sobre las Pilas de Combustible de Hidrógeno realizada el día 4 de marzo

del 2015, tuvo lugar en la Universidad Simón Bolívar durante el horario de la asignatura

Las Radiaciones, El hombre y El ambiente , en la cual el profesor Antonio D’Alessandro

expuso la siguiente observación:

Profesor: Se tendría que hacer la electrolisis en otro sitio diferente el vehículo, es decir,

en principio tendría que haber plantas dedicadas a realizar la electrolisis para producir

hidrógeno y oxígeno porque después se necesitan las dos sustancias. Por lo tanto, ambos

productos añaden un costo adicional al automóvil.

Respuesta: En efecto. Estos factores conllevan al incremento de valor y mantenimiento

del carro. Ante esta afirmación cualquiera podría de las personas podría preguntarse por

qué no seguir usando un automóvil que se rija por combustión interna o eléctrica en lugar

de apostar por un carro con mayor inversión económica.

Ante ello se podría declarar que actualmente la tecnología está enfocada en el desligue

total de las energías provenientes por combustibles fósiles, es por ello que sustituir los

carros que funcionan con combustibles derivados del petróleo por medios de transporte

dependientes de electricidad constituye una parte las metas alcanzadas pero no cumple en

su totalidad con el objetivo deseado. La energía eléctrica provine de la quema de

combustibles para de esa permitir el funcionamiento de las turbinas que generan

electricidad, por lo tanto sigue presente el efecto de desechos carbónicos.

Una de las soluciones que ayudaría reducir los costos de los carros y otros medios de

transporte con pilas de hidrogeno sería implementar la apertura de industrias dedicadas a la

producción de oxígeno e hidrógeno a partir de las energías renovables como la eólica y la

solar. De esta manera se masificaría la generación de pilas de combustible y existiría un

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equilibrio entre la industrialización y el ambiente, ya que la emisión de desechos

perjudiciales para el ambiente es netamente baja.

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