Celdas de combustible: definición, tipos, ventajas, limitaciones

El estudio del vínculo entre la energía eléctrica y los cambios químicos es el tema de la electroquímica , una subdisciplina de la química. Las reacciones electroquímicas son procesos químicos que incluyen la entrada o creación de corrientes eléctricas. Una celda de combustible es una celda electroquímica que utiliza un proceso electroquímico para generar energía eléctrica a partir del combustible. Para mantener en marcha los procesos que generan electricidad, estas células necesitan un suministro constante de combustible y un agente oxidante (normalmente oxígeno). Como resultado, hasta que se corte el suministro de combustible y oxígeno, estas celdas pueden continuar generando energía.

Las celdas de combustible, aunque fueron concebidas en 1838, no entraron en uso comercial hasta un siglo después, cuando la NASA las utilizó para impulsar cápsulas espaciales y satélites. Muchos establecimientos, incluidos negocios, edificios comerciales y estructuras residenciales, ahora emplean estos dispositivos como fuente principal o secundaria de electricidad.

Pila de combustible

Las pilas de combustible son células que transforman directamente la energía química de una pila de combustible en energía eléctrica. Los combustibles como el hidrógeno (H ₂ ), el dirust de carbono (CO ₂ ), el metano (CH ₄ ), el propano (C ₃ H ₈ ), el metanol (CH ₃ OH) y otros se utilizan para generar energía eléctrica en las celdas que se muestran a continuación. . La celda de combustible se alimenta constantemente con combustible, mientras que los productos se eliminan continuamente. Hay un gran número de pilas de combustible en el mercado. El tipo más popular es una celda de combustible de hidrógeno-oxígeno.

Celda de combustible utilizada en el programa espacial Apolo

Bacon inventó la celda de combustible de hidrógeno y oxígeno en 1959. Como resultado, también se la llama celda de Bacon. Es una posible fuente de energía eléctrica que se empleó como fuente principal de energía eléctrica durante el programa espacial Apolo de los Estados Unidos.

Se impregnan dos electrodos de carbono poroso con un catalizador adecuado como platino (Pt), plata (Ag), rust de cobalto (CoO), etc. en una celda de combustible básica de H ₂ –O _{2 .} El electrolito es una solución concentrada de hidrrust de potasio (KOH) o hidrrust de sodio (NaOH) que llena el espacio entre dos electrodos. Un electrodo de carbono poroso burbujea gas hidrógeno (H ₂ ) y gas oxígeno (O ₂ ) en el electrolito.

• En el áNode, 2H ₂ (g)+4OH ^– (aq) → 4H ₂ O (l)+4e ^–
• En el cátodo, O ₂ (g)+2H ₂ O (l)+4e ^–   → 4OH ^– (aq)
• Reacción global, 2H ₂ (g) + O ₂ (g) → 2H ₂ O (l)

Las celdas de combustible microbianas (MFC) son celdas que utilizan microbios para catalizar procesos biológicos para generar energía a partir de productos químicos orgánicos o inorgánicos. Sería capaz de lograr una tasa de eficiencia del 50%. En las MFC se han empleado proteobacterias, Desulfuromonas, Alcaligenes faecalis, Pseudomonas aeruginosa y otros microorganismos.

Un compartimiento de áNode y cátodo está separado por una membrana base de nitrato de potasio similar a una membrana específica de catión en una celda de combustible microbiana. El microorganismo oxida el combustible en el áNode, creando dirust de carbono, electrones y protones. Los protones se entregan al compartimiento del cátodo a través de la membrana y los electrones se transfieren al compartimiento del cátodo a través de un circuito eléctrico externo. El compartimiento del cátodo produce agua mezclando oxígeno con electrones y protones.

Reacción del áNode: C ₁₂ H ₂₂ O ₁₁ +13H ₂ O→12CO ₂ +48H ⁺ +48e ^–

Reacción del cátodo: 4H ⁺ +O ₂ +4e ^– →2H ₂ O

Tipos de pilas de combustible

Las celdas de combustible vienen en una variedad de formas.

1. Celda de combustible de membrana electrolítica de polímero (PEM)
2. Pila de combustible de ácido fosfórico
3. Pila de combustible de ácido sólido
4. Celda de combustible alcalina
5. Pila de combustible de carbonato fundido
6. Pila de combustible de hidrógeno-oxígeno
7. Pilas de combustible microbianas (MFC)
8. Pilas de combustible de rust sólido (SOFC)
9. Celda de combustible de zinc-aire (ZAFC)
10. Pila de combustible de metanol directo (DMFC)

La celda de combustible de membrana electrolítica de polímero (PEM)

1. Las celdas de combustible de membrana de intercambio de protones son otro nombre para estas celdas (o PEMFC).
2. Estas células funcionan a temperaturas que van desde los 50 grados centígrados hasta los 100 grados centígrados.
3. El electrolito utilizado en las PEMFC es un polímero que puede conducir protones.
4. Una celda de combustible PEM se compone de placas bipolares, un catalizador, electrodos y una membrana de polímero.
5. A pesar de sus aplicaciones ambientalmente benignas en el transporte, las PEMFC también se pueden utilizar para la generación de energía fija y portátil.

Pila de combustible de ácido fosfórico

1. El ácido fosfórico se utiliza como electrolito en estas pilas de combustible para canalizar el H ⁺ .
2. Estas celdas operan a temperaturas que oscilan entre 150 y 200 grados Celsius.
3. Debido a que el ácido fosfórico no es conductor, los electrones deben ir al cátodo a través de una conexión externa.
4. Debido a que el electrolito es ácido, los componentes de estas celdas se corroen u oxidan con el tiempo.

Pila de combustible de ácido sólido

1. El electrolito de estas pilas de combustible es una sustancia ácida sólida.
2. A bajas temperaturas, se organizan las estructuras moleculares de estos ácidos sólidos.
3. A temperaturas más altas, puede ocurrir un cambio de fase, lo que resulta en un aumento significativo de la conductividad.
4. CsHSO ₄ y CsH ₂ PO ₄ son dos ejemplos de ácidos sólidos (hidrogenosulfato de cesio y dihidrogenofosfato de cesio, respectivamente).

Celda de combustible alcalina

1. Esta fue la celda de combustible que sirvió como la principal fuente de energía para el programa espacial Apolo.
2. En estas celdas se emplea una solución alcalina acuosa para saturar una array porosa, que luego se usa para separar los electrodos.
3. Las temperaturas de operación de estas celdas son relativamente bajas.
4. Estas células son bastante efectivas. Junto con la energía, generan calor y agua.

Pila de combustible de carbonato fundido

1. La sal de carbonato de litio y potasio se emplea como electrolito en estas celdas. A altas temperaturas, esta sal se vuelve líquida, lo que permite la migración de iones de carbonato.
2. Estas celdas de combustible, como las SOFC, tienen una temperatura de trabajo relativamente alta de 650 Celsius.
3. Debido a la alta temperatura de trabajo y la presencia del electrolito de carbonato, el áNode y el cátodo de esta celda son propensos a la corrosión.
4. Estas celdas pueden funcionar con combustibles a base de carbono como el gas natural y el biogás.

Pilas de combustible de rust sólido (SOFC)

Las celdas de combustible de rust sólido emplean una sustancia cerámica dura y no porosa como electrolito y funcionan a temperaturas entre 500 y 1000 grados centígrados. En las SOFC se utiliza un electrolito de rust sólido para transportar iones de oxígeno negativos del cátodo al áNode. Las SOFC tienen una eficiencia del 50 al 60 por ciento.

• En el áNode: 1/2O ₂ +2e ^– →O
• En el cátodo: H ₂ +1/2O→H ₂ O+2e ^–
• La reacción global de la celda: H ₂ +12O ₂ →H ₂ O

Los satélites y las cápsulas espaciales emplean SOFC para generar electricidad. Se emplea principalmente en aplicaciones grandes y de alta potencia, como plantas generadoras industriales.

Celda de combustible de zinc-aire (ZAFC)

La Pila de Combustible de Zinc-Aire (ZAFC) es un tipo de pila de combustible que se creó en los Estados Unidos para su uso en vehículos. El electrolito es una solución alcalina acuosa como el hidrrust de potasio, y las reacciones de los electrodos son las siguientes:

• ÁNode: Zn+2OH ^– →Zn(OH) ₂ +2e ^–
• Cátodo: O ₂ +2H ₂ O+4e ^– →4OH ^–
• Reacción general: 2Zn+O ₂ +2H ₂ O→4Zn(OH) ₂

Se utiliza como combustible alternativo para vehículos.

Pila de combustible de metanol directo (DMFC)

El metanol se utiliza como combustible en esta subclase de celdas de combustible de intercambio de protones. El beneficio clave de esta celda de combustible es la facilidad con la que se puede transportar metanol combustible líquido estable. La membrana de polímero sirve como electrolito y las reacciones de los electrodos son las siguientes:

• ÁNode: CH ₃ OH+H ₂ O→6H ⁺ +CO ₂ +6e ^–
• Cátodo: 3/2O ₂ +6H ⁺ +6e ^– →3H ₂ O
• Reacción neta: CH ₃ OH+3/2O ₂ →CO ₂ +2H ₂ O

Funcionamiento de la pila de combustible

Una celda de combustible puede usar la química entre el hidrógeno y el oxígeno para generar energía. Este tipo de celda se utilizó en el programa espacial Apolo y tenía dos propósitos: como fuente de combustible y como suministro de agua potable (el vapor de agua producido por la celda, al condensarse, era apto para el consumo humano).

Esta celda de combustible funcionaba transfiriendo hidrógeno y oxígeno a través de electrodos de carbono a una solución concentrada de hidrrust de sodio.

• Reacción del cátodo: O ₂ + 2H ₂ O + 4e ^– → 4OH ^–
• Reacción del áNode: 2H ₂ + 4OH ^– → 4H ₂ O + 4e ^–
• Reacción celular neta: 2H ₂ + O ₂ → 2H ₂ O

Este proceso electroquímico, sin embargo, tiene una tasa de respuesta lenta. Se utiliza un catalizador, como platino o paladio, para resolver este problema. Antes de insertarse en los electrodos, el catalizador se divide finamente para maximizar el área de superficie efectiva.

Las pilas de combustible tienen un 70% de eficiencia en la generación de energía, mientras que las centrales térmicas tienen un 40% de eficiencia. Debido a que la creación de corriente eléctrica en una central térmica requiere la conversión de agua en vapor y el uso de ese vapor para mover una turbina, existe una variación significativa en la eficiencia. Las celdas de combustible, por otro lado, proporcionan una plataforma para convertir energía química en energía eléctrica directamente.

Configuración de celdas de combustible.

• La función principal de una pila de combustible es generar energía, que puede usarse para alimentar cualquier cosa, desde una sola bombilla hasta una ciudad entera. La generación de electricidad en una celda de combustible se basa en una reacción química básica que ocurre dentro de la celda. Luego, la energía se devuelve a la celda para completar el circuito eléctrico.
• En el áNode se introducen átomos de hidrógeno para iniciar el proceso químico. En este punto, un proceso químico elimina los electrones de los átomos de hidrógeno. Los átomos de hidrógeno ahora tienen una carga eléctrica positiva sobre ellos. Los cables transportan los electrones cargados negativamente restantes, que crean corriente. En el cátodo se introducen átomos de oxígeno. Se combinan con los electrones que han dejado los átomos de hidrógeno.
• Los átomos de oxígeno, junto con los electrones cargados negativamente, se unirían con los iones de hidrógeno cargados positivamente en este punto o después de pasar por el áNode, según el tipo de celda.

Ventajas de la pila de combustible

Las celdas de combustible son una posible fuente de energía eléctrica y ofrecen una ventaja sobre las celdas galvánicas y otras técnicas tradicionales de generación de electricidad quemando combustible. Los siguientes son algunos de los principales beneficios de las celdas de combustible:

1. Alta eficiencia: las celdas de combustible son teóricamente más eficientes que las técnicas tradicionales para producir energía eléctrica, como la quema de hidrógeno, metano, metanol, combustibles de carbono o reactores nucleares, ya que transfieren la energía de un combustible directamente a energía eléctrica. En teoría, las celdas de combustible deberían ser 100% eficientes, pero hasta ahora solo se ha logrado una eficiencia del 60-70%. La eficiencia del enfoque tradicional, que implica la quema de combustible, es solo del 40% aproximadamente. La eficiencia termodinámica de una pila de combustible, n=ΔG/ΔA×100, donde ΔH es el calor de combustión y ΔG es el trabajo realizado.
2. Trabajo libre de contaminación: Los subproductos producidos por una celda de combustible no contaminan el medio ambiente. Una celda de combustible de hidrógeno y oxígeno, por ejemplo, genera solo agua y, por lo tanto, no contribuye a la contaminación.
3. Suministro continuo de energía: siempre que se suministren combustibles a las celdas de combustible, estas pueden proporcionar energía indefinidamente. A diferencia de las celdas o baterías tradicionales, estas celdas no experimentan una disminución en el voltaje o la corriente con el tiempo.

Limitaciones de las pilas de combustible

1. El combustible gaseoso es difícil de manejar. El gas combustible (hidrógeno, oxígeno, etc.) debe mantenerse como líquido en un cilindro construido específicamente a muy baja temperatura y alta presión. Este aumento se debe al aumento del costo de la celda, que viene con una serie de problemas prácticos.
2. Los catalizadores necesarios para las reacciones de los electrodos, como el platino (Pt), el paladio (Pd), la plata (Ag) y otros, son muy costosos y aumentan el costo de la celda.
3. Los electrolitos empleados en las pilas de combustible son extremadamente cáusticos, lo que plantea una serie de problemas prácticos.

Ejemplos de preguntas

Pregunta 1: ¿Qué es una pila de combustible?

Responder:

Las celdas de combustible son celdas que convierten inmediatamente la energía química de una celda de combustible en energía eléctrica. En las celdas que se muestran a continuación, se utilizan hidrógeno (H ₂ ), dirust de carbono (CO ₂ ), metano (CH ₄ ), propano (C ₃ H ₈ ), metanol (CH ₃ OH) y otros combustibles para generar energía eléctrica. El combustible se entrega continuamente a la celda de combustible, mientras que los productos se retiran continuamente. En el mercado existen muchos tipos diferentes de pilas de combustible. Una celda de combustible de hidrógeno-oxígeno es la forma más común.

Pregunta 2: ¿Cuáles son los tipos de pilas de combustible?

Responder:

 Algunos tipos de celdas de combustible son las celdas de combustible de hidrógeno-oxígeno, las celdas de combustible microbianas (MFC), las celdas de combustible de rust sólido (SOFC), las celdas de combustible de zinc-aire (ZAFC), las celdas de combustible de metanol directo (DMFC), etc. 

Pregunta 3: ¿Por qué necesitamos pilas de combustible?

Responder:

Las celdas de combustible tienen una gran demanda ya que son una fuente de energía rentable y ecológicamente beneficiosa. Debido a que pueden fabricarse individualmente, pueden utilizarse para una variedad de aplicaciones.

Pregunta 4: ¿Cuáles son las limitaciones de las pilas de combustible?

Responder:

1. Es difícil trabajar con combustible gaseoso. El gas combustible (hidrógeno, oxígeno, etc.) debe mantenerse en estado líquido a muy baja temperatura y alta presión en un cilindro especialmente diseñado. Este aumento se debe a un aumento en el precio de la celda, que viene con una variedad de inconvenientes.
2. Los catalizadores de los electrodos, como el platino (Pt), el paladio (Pd), la plata (Ag) y otros, son extremadamente costosos y aumentan el costo de la celda.
3. Los electrolitos de las pilas de combustible son muy cáusticos, lo que plantea una variedad de desafíos prácticos.

Pregunta 5: ¿Qué son las pilas de combustible de hidrógeno?

Responder:

La pila de combustible de hidrógeno es un dispositivo que transforma directamente la energía química del hidrógeno y el oxígeno en electricidad. El agua se crea como un subproducto de esta operación.