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 la 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 fuera de la pila. Una pila de combustible consiste en un ánodo en el que se inyecta el combustible —comúnmente hidrógeno, amoníaco o alcoholes— y un cátodo en el que se introduce un oxidante —normalmente aire u oxígeno. Los dos electrodos de una pila de combustible están separados por un electrólito iónico conductor.

Su principio de funcionamiento es inverso al de una electrólisis, es decir, se obtiene una corriente eléctrica por medio de la reacción del hidrógeno y el oxígeno:

Electrodo de Membrana PolimElectrodo de Membrana Polimééricarica

Pila de Pila de CcmbustibleCcmbustible de hidrde hidróógenogeno

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, fluyen del ánodo al cátodo a través de un circuito externo y alimentan nuestros dispositivos eléctricos. La figura 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.

Pila de Pila de CcmbustibleCcmbustible de metanol directode metanol directo

Pilas DMFC: pueden considerarse un desarollo de las anteriores. En estas pilas una disolución acuosa de metanol (CH3OH) llega a una membrana polimérica PEM sobre la que se ha depositado una fina capa de electrocatalizador. Este descompone la disolución en protones (6H+), electrones (6e-) y una molécula de CO2. La membrana permite el paso de los protones pero no de los electrones, por lo que mientras los protones atraviesan la membrana los electrones circulan por un circuito exterior produciendo un trabajo eléctrico. Por el cátodo, se introduce oxígeno (O2). Las moléculas de oxígeno se disocian atrayendo los electrones que vienen a través del circuito exterior (6e-). Los así formados iones negativos reaccionan con los protones que vienen por la membrana (6H+) produciendo agua y calor:

ánodo: CH3OH + H2O----->CO2 + 6 H+ + 6 e-

catodo: 1,5 O2 + 6 H+ + 6 e------>3 H2O

reacción global: CH3OH + 1,5 O2----->CO2 + 2 H2O

H+ + 2 e-

Agua

+

metanol

CO2

Membrana de intercambio protonico

O2

Agua

Superficie catalitica

Electrolito de polimerosólidoAnodo con Pt como catalizadorCatodo con Pt como catalizador

Canales de combustible

Canales del oxigeno

Colectores de corriente

refrijerante

Formas de captación de la energía solar

Electrolisis del agua

El sistema de aprovechamiento de la energía del Sol para producir energía eléctrica se denomina conversión fotovoltaica.

Las células solares están fabricadas de unos materiales con unas propiedades específicas, denominados semiconductores.

En una célula fotovoltaica, la luz excita electrones entre capas de materiales semiconductores de silicio. Esto produce corrientes eléctrica.

Las células solares hechas con obleas finas de silicio, arseniuro de galio u otro material semiconductor en estado cristalino, convierten la radiación en electricidad de forma directa. Ahora se dispone de células con eficiencias de conversión superiores al 30%. Por medio de la conexión de muchas de estas células en módulos, el coste de la electricidad fotovoltaica se ha reducido mucho. El uso actual de las células solares se limita a dispositivos de baja potencia, remotos y sin mantenimiento, como boyas y equipamiento de naves espaciales.

Energía solar fotovoltaica

El sol es una fuente limpia e inagotable para el hombre. Se puede aprovechar en toda la superficie terrestre en mayor o menor grado. Su abundancia y disponibilidad la hacen óptima para múltiples usos, por lo que de forma directa o indirecta, de forma natural o artificial, es una constante en la estructura agrícola, urbana, industrial, etc. de la sociedad

Entre los posibles aprovechamientos de la energía solar directa se pueden destacar los usos térmicos y entre los más comúnmente utilizados la energía solar pasiva que es una forma de aprovechamiento que capta la energía solar, la almacena y distribuye de forma natural sin mediación de elementos mecánicos; y la energía solar térmica activa a baja temperatura en los que si hay un elemento mecánico que ayuda a captar la energía solar térmica.

Por otro lado la captación solar directa es también la responsable de la producción de energía eléctrica a través de los captadores fotovoltaicos

Electrolisis del agua

El principio básico de la electrólisis es que la aplicación de una corriente eléctrica puede obligar a una reacción tomar lugar en la dirección opuesta a la cual ocurriría espontáneamente. En nuestro caso, la energía solar, a través de células fotovoltaicas, nos proporciona dicha corriente de energía.

La descomposición del agua en sus elementos constituyentes básicos demostrados aquí es la inversa de la reacción (espontánea) del Hidrógeno y Oxígeno para formar agua. Las siguientes 2 reacciones toman lugar en loselectrodos:

Cátodo: 2 H2O + 2 e- —>H2 + 2 OH-

Ánodo: 2 H2O —> O2 + 4 H+ + 4 e-

Reacción de oxidación del metanolRealmente la oxidación del metanol por catalizadores de metales nobles, comunmente

el platino, es una reacción de desprotonación del alcohol que transcurre simultaneamentea la obtención de productos secundarios como el formaldehído, metilformatos, y CO.

Aunque la reacción global para los procesos de semireacción expontáneos anódicos y catódicos para una pila de combustible son:

ánodo: CH3OH + H2O----->CO2 + 6 H+ + 6 e-

catodo: 1,5 O2 + 6 H+ + 6 e------>3 H2O

reacción global: CH3OH + 1,5 O2----->CO2 + 2 H2O

El proceso de electroxidación comienza con la adsorción de la molécula de metanol sobre el platino comenzando así una serie de reacciones que dan lugar a la formación de diferentes especies.

Pt + (CH3OH)sol → Pt-(CH3OH)ads Pt-(CH3OH)ads → Pt-(•CH2OH)ads + H+aq + e-

Pt-(•CH2OH)ads → Pt-(•CHOH)ads + H+aq + e-

Pt-(•CHOH)ads → Pt-(•CHO)ads + H+aq + e-

Pt-(•CHO)ads → Pt-(•CO)ads + H+aq + e-

Pt + H2O → Pt-(OH)ads + H+aq + e-

De forma general, puede decirse que la primera etapa de la oxidación del metanol sería la adsorción y posterior desprotonación del alcohol. Así:

CH3OH(sol) —> (CO)ads + 4H+ + 4 e-

Pt-(OH)ads + Pt(CO)ads → CO2