Celda de combustible
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Celda de combustible. Dispositivo electroquímico cuyo concepto es similar al de una batería. Consiste en la producción de electricidad mediante el uso de químicos, que usualmente son hidrógeno y oxígeno, donde el hidrógeno actúa como elemento combustible, y el oxígeno es obtenido directamente del aire. También pueden ser usados otros tipos de combustibles que contengan hidrógeno en su molécula, tales como el gas metano, metanol, etanol, gasolina o diésel entre otros.
Sumario
Historia
El principio de la celda de combustible (o célula de combustible) fue descubierto por el científico Christian Friedrich Schönbein en Suiza en 1838 y publicado en la edición de enero de 1839 del "Philosophical Magazine". De acuerdo con este trabajo, la primera celda de combustible fue desarrollada por Sir William Grove un científico Galés. Un primer boceto fue publicado en 1843.
Para fabricar la celda de combustible utilizó materiales similares a los usados para la celda de combustible de ácido fosfórico. No fue hasta 1959 cuando el ingeniero británico Francis Thomas Bacon desarrolló con éxito una celda inmóvil de combustible de 5 kilovatios.
En 1959, un equipo encabezado por Harry Ihrig construyó un tractor basado en una celda de combustible de 15 kilovatios para Allis-Chalmers que fue expuesto en EE.UU. en las ferias del estado. Este sistema utilizó hidróxido del potasio como electrolito y el hidrógeno y el oxígeno comprimidos como reactivos. En el propio 1959, Bacon y sus colegas mostraron una unidad de 5 kW capaz de accionar una máquina de soldadura, que condujo a que en los años 60 las patentes de Bacon licenciadas por el fabricante de motores de aviación Pratt y Whitney fuesen utilizadas -al menos sus conceptos- en los Estados Unidos en su programa espacial para proveer de electricidad y de agua potable a los astronautas (hidrógeno y oxígeno que está fácilmente disponible de los tanques de la nave espacial).
Paralelamente a Pratt & Whitney Aircraft, General Electric desarrolló la primera celda de combustible que utilizaba una membrana intercambiadora de protones (PEMFCs) para las misiones espaciales Gemini. La primera misión que utilizó PEFCs fue géminis V. Sin embargo, las misiones espaciales Apolo y las misiones subsecuentes Apolo-Soyuz, de Skylab, y de transbordadores espaciales utilizaban celdas de combustible basadas en el diseño de Bacon, desarrollado por Pratt & Whitney Aircraft.
UTX subsidiara de UTC Power fue la primera compañía en fabricar y comercializar un sistema de gran escala, inmóvil de celdas de combustible para su uso como central eléctrica de cogeneración en hospitales, universidades, y grandes edificios de oficinas. UTC Power continúa comercializando esta celda de combustible como el PureCell 200, un sistema de 200 kilovatios y sigue siendo el único proveedor de celdas de combustible a la NASA para su uso en vehículos espaciales, proveyendo las misiones Apolo y al trasbordador espacial, desarrollando celdas de combustible para automóviles, autobuses, y las antenas de telefonía móvil.
En el mercado de los automóviles basados en celdas de combustible, UTC Power expuso la primera celda de combustible capaz de comenzar a funcionar a bajas temperaturas con su celda automotora de combustible de membrana de intercambiadora de protones (PEM).
Los materiales utilizados eran en extremo caros y las celdas de combustible requerían hidrógeno y oxígeno muy puros. Las primeras celdas de combustible solían requerir temperaturas muy elevadas que eran un problema en muchos usos. Sin embargo, las celdas de combustible seguían siendo investigadas debido a las grandes cantidades de combustible disponibles (hidrógeno y oxígeno).
A pesar de su éxito en programas espaciales, los sistemas con celdas de combustible eran limitados a estos emprendimientos en donde el alto costo se podía tolerar. No fue hasta el final de los '80 y principios de los '90 en que las celdas de combustible se convirtieron en una opción verdadera de uso más amplio. Varias innovaciones, catalizador con menos platino y electrodos de película fina, bajaron el costo de las celdas de combustible, haciendo que el desarrollo de sistemas PEMFC (como por ejemplo automóviles) fuese más viable.
Funcionamiento
El funcionamiento de una celda de combustible consiste básicamente en la oxidación del hidrógeno en agua, generando energía eléctrica y calor directamente, sin pasar por generadores u otros artefactos.
Toda celda de combustible está compuesta por un ánodo, un cátodo y electrolitos. La reacción producida da lugar a la formación de electricidad, calor y agua. Se logra alimentando el hidrógeno en el ánodo de la celda y el oxígeno en el cátodo, los cuales están separados por una membrana electrolítica.
El hidrógeno fluye hacia el ánodo de la celda, donde una cubierta de platino ayuda a quitar los electrones a los átomos de hidrógeno dejándolo ionizado, o sea, en forma de protones (H+). La membrana electrolítica permite el paso solo de los protones hacia el cátodo.
Debido a que los electrones no pueden pasar a través de la membrana, se ven forzados a salir del ánodo por un circuito externo como forma de corriente eléctrica.
Luego, a medida que el cátodo deja fluir a través de él al oxígeno, éste se combina con los protones y los electrones para formar agua. Como esta reacción naturalmente está desplazada hacia la formación de agua, cuando se produce, se libera energía en forma de calor. Esta una reacción positiva y por lo tanto exotérmica.
La reacción se produce dentro de la celda misma. La producción de agua toma lugar en distintas partes de la celda dependiendo del electrolito utilizado.
Tipos de celdas de combustible
Ácido fosfórico (PAFC)
Temperatura de operación: ~ 220 °C. Es el tipo de celda de combustible más desarrollado a nivel comercial y ya se encuentra en uso en aplicaciones tan diversas como clínicas, hospitales, hoteles, edificios de oficinas, escuelas, plantas eléctricas y terminales aeroportuarias. Las celdas de combustible de ácido fosfórico generan electricidad a más del 40% de eficiencia - y cerca del 85% si el vapor que produce es empleado en cogeneración - comparado con el 30% de la más eficiente máquina de combustión interna.
Este tipo de celdas puede ser usado en vehículos grandes como autobuses y locomotoras. Existen en producción comercial unidades de alrededor de 200kw.
Polímero sólido (PEM)
Temperatura de operación: 50 - 100 °C Tienen una densidad de potencia alta, pueden variar su salida para satisfacer cambios en la demanda de potencia y son adecuadas para aplicaciones donde se requiere una demanda inicial de energía bastante importante, tal como en el caso de automóviles, de acuerdo con el Departamento de Energía de los Estados Unidos, "son los principales candidatos para vehículos ligeros, edificios y potencialmente otras aplicaciones mucho más pequeñas tales como baterías recargables para videocámaras.
Carbonato fundido (MCFC)
Temperatura de operación: ~ 600 °C Las celdas de combustible de carbonato fundido prometen altas eficiencias combustible-electricidad y la habilidad para consumir combustibles a base de carbón.
En este tipo de celdas es aprovechada la electricidad y el calor generado.
Oxido sólido (SOFC)
Temperatura de operación: 500 - 1000 °C Es una celda de combustible altamente prometedora, potencialmente utilizable en aplicaciones grandes de alta potencia incluyendo estaciones de generación de energía eléctrica a gran escala e industrial. Las unidades que se abrigan van desde 25 hasta 100 kw de potencia.
Un sistema de óxido sólido normalmente utiliza un material duro cerámico en lugar de un electrolito líquido permitiendo que la temperatura de operación sea muy elevada. Las eficiencias de generación de potencia pueden alcanzar un 60%.
Alcalinas
Temperatura de operación: 50 - 250 °C Utilizadas por la NASA en misiones espaciales, este tipo de celdas pueden alcanzar eficiencias de generación eléctrica de hasta un 70%. Estas celdas utilizan hidróxido de potasio como electrolito.
Ventajas
Las celdas de combustible se consideren una de las formas alternativas más ventajosas para la obtención de energía.
- Debido a que la generación de energía eléctrica es directa, la eficiencia que alcanza una celda de combustible puede ser muy elevadarozando el 80% cuando además de electricidad se recupera calor. Este valor supera ampliamente las eficiencias de otros sistemas convencionales.
- Al no tener partes en movimiento son muy silenciosas.
- No usa la combustión como mecanismo de generación de energía, lo que la hace prácticamente libre de contaminación. La energía producida es 100% limpia, ya que el único producto que se obtiene es agua o vapor de agua dependiendo de la temperatura de operación del dispositivo.
- Pueden conectarse en paralelo para suplir cualquier requerimiento energético. Las celdas de combustible individuales pueden combinarse para producir motores más potentes impulsados por ejemplo a hidrógeno.
- Pueden ser fabricadas de distintos tamaños y para distintas aplicaciones que van desde su uso en telefonía celular, hasta el uso de éstas para impulsar automóviles.
- Adosadas a un procesador permiten obtener energía a partir de combustibles corrientes como alcoholes, gas natural y combustibles de origen fósil, así como también a partir de biomasa o de la fracción orgánica recuperada de residuos sólidos domiciliarios. El combustible más conveniente termina siendo el hidrógeno, ya que es el que más energía entrega por unidad de masa (141 mJ/Kg). Además, el hidrógeno puede obtenerse fácilmente por electrólisis del agua. Estos equipos de electrólisis se pueden alimentar de energía eléctrica obtenida por paneles fotovoltaicos o aerogeneradores.
- El aspecto económico también es de gran relevancia, los precios de las celdas de combustible no son altos cuando se los compara con los gastos anuales de electricidad y gas natural, con lo que su compra se amortiza en pocos meses. Con respecto a los costos de mantenimiento, éstos se consideran mínimos o casi nulos.
Además de todo esto, no debe dejarse de lado la importancia de la independencia energética que brinda la instalación y uso de celdas de combustible, ya que abre un mercado eléctrico muy distinto al mercado eléctrico tradicional.
