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Pilas De Combustible




Enviado por Eduardo D'Elia



     

    Indice
    1.
    Introducción

    2. Elementos primarios, secundarios y
    pilas de combustible

    3. Los electrodos
    porosos

    4. Velocidad De Reacción Y
    Temperatura

    5. Electrólitos y
    catalizadores

    6. Tipos de pilas de
    combustible

    7. Fuentes consultadas

    1.
    Introducción

    Se trata de ofrecer una visión general sobre las
    pilas de
    combustible y presentar al mismo tiempo, algunas
    definiciones y conceptos básicos de los sectores de la
    electroquímica y de la termodinámica, tal como ocurre en los
    acumuladores de plomo y en las pilas de
    cinc-carbono que
    son conocidos desde hace más de un siglo y se utilizan
    habitualmente, en las pilas de combustible tienen lugar
    fenómenos de transporte de
    partículas cargadas.
    El principio de las pilas de combustible fue descubierto en el
    año 1839 por el juez galés y científico Sir
    William Grove y desarrollado en el año 1894 por el
    químico alemán Wilhelm Ostwald (1853-1932). Sin
    embargo, ha sido en las últimas décadas cuando las
    pilas de combustible han vuelto a ser un tema de interés.
    En la investigación espacial han de emplearse
    pilas de este tipo para abastecer de energía
    eléctrica las naves espaciales y los satélites.
    Las pilas de combustible superaron con éxito
    sus primeras pruebas
    importantes en los EE.UU. con ocasión del proyecto
    Géminis y de los vuelos tripulados a la Luna en el marco
    del programa
    Apolo.
    Estas pruebas
    resultaron muy útiles con vistas a desarrollar las
    múltiples aplicaciones de la transformación directa
    de la energía sobre la Tierra.
    La intención es lograr que el lector esté en
    condiciones de comprender la transformación directa de la
    energía en las pilas de combustible, los procesos que
    tienen lugar en los electrodos de explicar la formación de
    la interfase ternaria en un electrodo poroso y la constitución de distintas pilas de
    combustible.
    Si existe alguna dificultad para la interpretación de los
    símbolos o términos técnicos se puede
    consultar el apéndice. En él están reunidos
    y explicados los símbolos y los términos
    técnicos más importantes que aparecen en este
    texto.

    Transformación De Energía
    Cuando un combustible se quema en atmósfera de aire, la fuerza que
    impulsa esta reacción química es la
    afinidad, es decir, la tendencia que presenta el combustible a
    reaccionar con el oxígeno. En una combustión normal, la energía
    resultante de la oxidación del combustible se libera en
    forma de calor.
    COMBUSTIBLE + OXÍGENO Þ PRODUCTOS DE
    OXIDACIÓN + CALOR
    Este proceso se
    emplea también para la "generación de
    energía" en las centrales térmicas en las que, a
    través de la producción de vapor, se obtiene
    energía mecánica que luego se transforma en
    energía
    eléctrica (figura 1). Sin embargo, es también
    posible conseguir que esta reacción siga un camino directo
    de forma que, como consecuencia de la transformación de la
    energía, se libere inmediatamente energía
    eléctrica. El dispositivo que permite llevar a cabo este
    proceso se
    denomina "pila de combustible".
    Por pila de combustible se entiende un dispositivo
    electroquímico que permite transformar directamente la
    energía química resultante de
    una reacción de oxidación de un combustible en
    energía eléctrica sin tener que convertirla primero
    en energía térmica. En las pilas de combustible,
    los reactivos (combustible y agente oxidante) se conducen a los
    electrodos de forma continua.
    En un proceso térmico la energía química se
    transforma en energía eléctrica después de
    convertirse sucesivamente en energía térmica y
    mecánica:

    Figura 1

    ENERGIA QUIMICA

    Þ

    ENERGIA TERMICA

    Þ

    ENERGIA MECANICA

    Þ

    ENERGIA ELECTRICA

    En una pila de combustible se produce un proceso
    electroquímico directo

    ENERGIA QUÍMICA

    COMBUSTIBLE + AGENTE OXIDANTE

    ENERGIA ELECTRICA

    2. Elementos primarios,
    secundarios y pilas de combustible

    Los elementos galvánicos primarios o pilas y los
    secundarios o acumuladores se diferencian de las pilas de
    combustible en que los reactivos vienen prescriptos por lo
    electrodos elegidos, por lo que su cantidad y su potencial quedan
    limitadas. En los acumuladores los productos
    generados durante la descarga pueden convertirse de nuevo en las
    sustancias iniciales mediante una electrólisis posterior. En las pilas
    primarias esto no resulta posible, ya que los procesos
    químicos que se desarrollan durante la generación
    de energía eléctrica son, en gran medida,
    irreversibles (figura 2).
    La pila de combustible puede suministrar energía mientras
    se alimenta con combustible y oxígeno. La tensión
    de salida de la pila es relativamente pequeña, pero la
    intensidad de la corriente y el rendimiento son
    favorables.

    PILA

    (proceso irreversible)

    ACUMULADOR

    (proceso reversible)

    ENERGÍA QUÍMICA

    DESCARGAÞ

    ENERGIA ELECTRICA

    ENERGIA ELECTRICA

    CARGAÞ

    Ü
    DESCARGA

    ENERGIA QUÍMICA

    Pila alcalina de dióxido de magnesio
    visto de sección

    Acumulador de plomo-ácido

     

     

    Reacción En La Pila De Combustible
    Desde el punto de vista físico, una pila de combustible
    consta de dos electrodos separados por un electrolito. El
    combustible, por ejemplo, el hidrógeno, es conducido de
    forma continua a uno de estos electrodos -el ánodo-. Como
    electrolito sólo pueden emplearse conductores
    iónicos tales como bases, ácidos y
    sales.
    A continuación se explica con más detalle el
    funcionamiento de una pila de combustible mediante el ejemplo de
    una célula
    hidrógeno-oxígeno con electrolito alcalino (figura
    3). En la pila se oxida el combustible (el hidrógeno) de
    acuerdo con la siguiente reacción:
    2H2 + O2 ® 2H2O
    Esta reacción neta produciría una explosión
    si se mezclaran ambos reactivos y se calentaran o en presencia de
    una chispa, por lo que la pila de combustible
    H2-O2 se conoce también con el
    nombre de "pila de gas detonante".
    En tal caso, la totalidad de la energía de reacción
    se disiparía en forma de calor. En la
    pila de combustible esta reacción exotérmica, que
    genera una gran cantidad de calor, es reversible. La
    reacción se regula para que se desarrolle de forma lenta y
    controlada sin que prácticamente se ceda calor.

    Reacciones En Ánodo Y Cátodo
    El proceso reversible correspondiente a la reacción
    neta:
    2H2 + O2 ® 2H2O
    se subdivide en dos reacciones parciales.
    La figura 4 muestra la
    constitución esquemática y el
    funcionamiento de una pila de combustible
    H2-O2.
    1.En el material catalíticamente activo, que constituye
    uno de los electrodos —el ánodo—, se oxida el
    hidrógeno cediendo electrones. Estos electrones circulan
    por el circuito externo hacia el cátodo, desarrollando
    trabajo.
    H2 ®
    2H
    2H + 2OH- ® 2H2O + 2e-
    reacción anódica
    2.En el cátodo, situado a una cierta distancia, se reduce
    el oxígeno con incorporación de los electrones
    cedidos por el ánodo.
    O2 + 2H2O + 4e-
    ®
    4OH reacción catódica
    El electrolito, en este caso una solución concentrada de
    potasa cáustica (KOH), transporta las cargas, es decir,
    los iones hidroxilo negativos (iones OH—)
    formados en el electrodo de oxígeno, hacia el ánodo
    por el interior de la pila. Conectando el ánodo con el
    cátodo, a través de una resistencia
    externa o de carga, la pila suministra energía
    eléctrica (U . I . t).

    3. Los electrodos
    porosos

    Los electrodos empleados en las pilas de combustible
    hidrógeno-oxígeno son del tipo poroso de
    difusión gaseosa. De esta forma puede establecerse un buen
    contacto entre las tres fases que participan en la
    reacción. En estos puntos se forma la interfase ternaria a
    través de la que entran en contacto el gas de
    reacción, el electrodo y el electrolito. En una parte de
    los poros se alcanza el equilibrio
    entre la fuerza capilar
    y la presión
    del gas (figura 5a). En ellos tiene lugar la reacción en
    la que se generan la corriente y la tensión. Por tanto, en
    un electrodo poroso sólo contribuyen a la
    generación de energía eléctrica aquellos
    poros en los que la presión
    capilar y la presión del gas se equilibran (poros en
    equilibrio).
    Los poros demasiado estrechos se llenan totalmente de electrolito
    por efecto de la presión capilar, por lo que en ellos no
    puede tener lugar la reacción. En los poros demasiado
    anchos, el gas circula libremente sin llegar a reaccionar.
    Para conseguir la transformación más completa
    posible del gas, los electrodos porosos (según Bacon) se
    construyen con una estructura de
    doble capa; la capa de cubierta, dotada de poros finos, se
    dispone por el lado del electrolito y la capa activa, con poros
    gruesos, queda en el lado del gas (figura 5b).
    Electrodo poroso con un poro en equilibrio, uno demasiado
    estrecho y otro excesivamente ancho.
    Electrodo de doble capa con la interface ternaria – la zona
    de reaccion – en la que se generan la corriente y la
    tensión

    Tensión De Salida
    La tensión de salida de la pila depende de forma decisiva
    de la afinidad A, es decir, de la tendencia que presentan ambos
    reactivos a reaccionar entre sí. A temperatura
    constante (proceso isotérmico) y bajo condiciones
    reversibles a presión constante, la oxidación del
    combustible, por ejemplo, del hidrógeno, se desarrolla
    aprovechando al máximo la entalpía libre de
    reacción ΔG, es decir, el trabajo de
    reacción correspondiente al proceso generador de
    energía eléctrica.
    A = — ΔG (menos delta G)
    Esta magnitud está relacionada termodinámicamente
    con la entalpía de reacción ΔH y la entropía de reacción
    ΔS de acuerdo con la ecuaciσn:
    ΔG = ΔH — T . ΔS
    ΔG = — n . F . E
    n número de
    equivalentes electroquímicos
    F constante de Faraday: 96487 A s moL-1 o J
    moL-1 . V-1
    E fuerza electromotriz
    T temperatura
    absoluta en K (Kelvin)
    El signo menos es convencional. Se evalúa el intercambio
    de energía visto desde el sistema ΔG
    es negativo cuando la reacción conduce a un estado final
    de menor energía.
    En esta ecuación E representa la fuerza
    electromotriz y — T. ΔS la ganancia o la
    pιrdida de energνa que resulta al calentar o
    al enfriar la pila. Como la fuerza electromotriz E = — U
    coincide, salvo en el signo, con la tensión de salida de
    la pila sin carga, la tensión U teórica
    correspondiente a la oxidación del hidrógeno en un
    proceso reversible e isotérmico puede calcularse de
    acuerdo con la expresión:

    en caso de que se forme agua en
    estado
    líquido como producto
    final. La tensión de salida de la pila es, por tanto, del
    orden de 1 V.

    Rendimiento Termodinámico
    En un principio se indicó que la energía
    química acumulada, por ejemplo, en el carbono, se
    transforma primero totalmente en calor en las centrales
    térmicas de acuerdo con la reacción de
    combustión
    C + O2 = CO2 + ΔH
    (ΔH: entalpνa de reacciσn).
    Este
    calor se convierte después en energía
    mecánica y finalmente en energía eléctrica.
    Según el segundo principio de la termodinámica sólo una
    fracción, caracterizada por el "rendimiento del ciclo de
    Carnot" h
    (Carnot), de la energía resultante del movimiento
    desordenado de las moléculas, es decir, del calor, puede
    convertirse en energía mecánica o en trabajo. Se
    cumple:

    T Temperatura absoluta en K (Kelvin)
    Si, por ejemplo, la temperatura del vapor en la caldera es
    T2 = 600 K y la temperatura del vapor de escape de la
    turbina es T1 = 360 K, el rendimiento
    termodinámico h
    (Carnot) es. como máximo, del 40%.

    El rendimiento de las centrales térmicas
    altamente desarrolladas se aproxima a este valor. Por el
    contrario, la subsiguiente transformación de la
    energía mecánica en eléctrica se produce
    casi sin pérdidas.

    Rendimiento Termodinámico En La Pila De
    Combustible
    El rendimiento termodinámico que puede alcanzarse en una
    pila de combustible es, en condiciones favorables,
    considerablemente mayor.

    Si, como resultado de la reacción entre el
    hidrógeno y el oxígeno, se obtiene agua en estado
    líquido como producto
    final, el rendimiento termodinámico llega a ser del 83%.
    Los valores de
    ΔG y ΔH se expresan en J
    mol-1.

    Si el producto de la reacción, es decir, el agua,
    está en forma de vapor, el rendimiento
    termodinámico alcanza el 94,5%.

    Cuando el carbono C se oxida para dar
    monóxido de carbono CO, el rendimiento
    termodinámico puede llegar a ser incluso del 124%; la
    energía adicional necesaria se toma del ambiente en
    forma de calor y se cede como energía
    eléctrica.

    Toma O Cesión De Calor
    ΔG y
    ΔH son siempre negativas en las reacciones que se utilizan,
    en general, para generar energía. El
    rendimiento termodinámico está influido por
    ΔS de la forma siguiente:
    Cuando ΔS
    > 0 aumenta la entropνa (grado de desorden) y el
    rendimiento termodinαmico h term es mayor que 1.
    La pila produce, en este caso, más energía
    eléctrica que la equivalente a la energía
    térmica resultante de la reacción correspondiente.
    En una pila que opere de forma isotérmica, la
    energía adicional necesaria T. ΔS se toma del
    ambiente en
    forma de calor. Por ejemplo, en la
    reacciσn
    2 C + O2
    Þ 2 CO,
    así se tiene h
    term = 124%.
    Cuando ΔS =
    0, el rendimiento es del 100%. En esta reacciσn no se toma
    ni se cede calor. La tensiσn de salida de la
    pila no varía con la temperatura. Este es, por ejemplo, el
    caso de la reacción
    C + O2 Þ CO2, en la que
    h term =
    100,2%.
    Cuando ΔS < 0, se cumple
    h term <
    1. Entonces la pila genera, además de la energía
    eléctrica, la cantidad de calor —T . ΔS.
    Durante la reacción debe extraerse el calor producido en
    la pila. En caso contrario, aumentaría la temperatura en
    ella y caería su tensión de salida. Este es, por
    ejemplo. el caso de la reacción.
    2 CO + O2 Þ 2CO2, en la que se
    tiene h
    term = 90,8%.

    4. Velocidad De
    Reacción Y Temperatura

    El rendimiento termodinámico de una pila de
    combustible es mayor o menor que el 100%, dependiendo de si la
    tensión de salida U de la pila aumenta o disminuye con la
    temperatura. ΔG puede determinarse a partir de datos
    calorimétricos para una temperatura determinada. Incluso
    bajo condiciones de reacción isotérmicas y
    reversibles no puede convertirse la totalidad de la
    energía térmica en energía eléctrica,
    pues siempre se produce una pequeña pérdida de
    calor. Por ello conviene operar con las pilas de combustible
    hidrógeno-oxígeno a una temperatura reducida para
    obtener una tensión elevada y un alto rendimiento.
    Sin embargo, para alcanzar densidades de corriente favorables hay
    que operar con pilas de combustible a una temperatura elevada,
    pues la velocidad de
    las reacciones que se producen en los electrodos aumenta con la
    temperatura. Se rata de problemas de
    cinética de reacciones que determinan la densidad de
    corriente y, con ella, el rendimiento efectivo. Además,
    el agua
    obtenida como producto de reacción en las pilas de
    combustible H2-O2 puede evacuarse de ellas
    más fácilmente a temperaturas elevadas, por
    ejemplo, por evaporación.

    Electrodo De Hidrógeno
    Las
    tensiones de salida de las pilas calculadas a partir de los
    valores de
    ΔG no coinciden, a menudo, con los valores
    determinados experimentalmente. La causa de ello
    radica en el desarrollo
    incompleto de la reacción principal o en las reacciones
    secundarias que no pueden tenerse en cuenta al calcular dicha
    tensión de salida. En el electrodo de hidrógeno se
    establece con facilidad el potencial reversible del
    hidrógeno. Uno de los requisitos esenciales que debe
    cumplir el material de dicho electrodo es su capacidad de
    disociar la molécula de hidrógeno, es decir, de
    dividirla en dos átomos H. Para ello se emplean
    catalizadores. Las reacciones que se desarrollan en los "puntos
    catalíticamente activos" del
    electrodo pueden representarse de la forma siguiente:
    H2 Þ
    2H(adsorbido)
    2H(adsorbido) +
    2OH- Þ 2H2O + 2
    e-

    Con electrólitos alcalinos se han acreditado,
    como catalizadores para el electrodo de hidrógeno, los
    metales nobles
    finamente divididos (negro de platino) y catalizadores de Raney
    correspondientes al grupo del
    hierro y del
    platino. Con electrólitos ácidos se
    han empleado últimamente como catalizadores además
    de los metales nobles de
    alto precio, el
    carburo de volframio, el fosfuro de cobalto (CoP3) o
    el disulfuro de molibdeno.

    Electrodos De Oxígeno
    El potencial se establece bastante más lentamente en el
    electrodo de oxígeno que en el de hidrógeno.
    Resulta mucho más difícil reproducirlo y, en
    general, es de 100 a 150 mV menor que el potencial teórico
    del oxígeno.
    Puede suponerse que en el electrodo de oxígeno se
    desarrolla, para un electrolito alcalino, la siguiente
    reacción neta:
    O2 + 2H2O + 4e-
    Û
    4OH-
    Sin embargo, en realidad la
    reacción tiene lugar de forma bastante más
    complicada. Se ha determinado (por Berl) que esto es debido a
    que, en el electrodo de oxígeno, se forman también
    iones de peróxido de hidrógeno que afectan
    considerablemente al potencial. Por ello, se cumple:
    O2(adsorbido) + H2O + 2e-
    Û OH-
    + HO2-

    La disminución de la concentración de
    peróxido es uno de los requisitos esenciales para que los
    electrodos de oxígeno
    funcionen correctamente. Además de por la plata y el
    platino, la disociación del peróxido es catalizada
    también por espinelas tales como los compuestos
    CoAl2O4 o FeMnAg, incorporados en carbones
    de alta actividad. De esta forma, la reacción electroquímica queda sustituida por la
    disociación catalítica en el mecanismo de
    reacción.
    Los iones HO- formados se disocian dando
    oxígeno e iones
    OH-
    2HO2- Û O2 +
    2OH-

    Rendimiento de tensión y sobretensión
    Como ya se ha indicado, el electrodo de oxígeno no trabaja
    de forma totalmente reversible. Por ello, una pila de combustible
    hidrógeno-oxígeno suministra una tensión en
    vacío o reposo U0 que difiere de la
    tensión Ut, calculada
    termodinámicamente. La divergencia, tanto respecto a la
    tensión teórica Ut, como a la de reposo
    U0 que se observa al aplicar una carga a la pila se
    designa como sobretensión o polarización.
    El rendimiento electroquímico o rendimiento de
    tensión h
    u se deriva de la tensión de servicio
    Ua que depende de la carga de la pila y de la
    tensión teórica Ut o
    ΔG. Si, por ejemplo, la tensiσn de servicio de
    una pila de combustible
    hidrσgeno-oxígeno es
    Ua= 1,15 V y su tensión teórica
    Ut = 1,23 V, se tiene h u =
    93,5%.

    Uno de los problemas
    principales que resultan al diseñar pilas de combustible
    es precisamente reducir al mínimo esta
    sobretensión, lo que puede conseguirse, en parte,
    empleando catalizadores adecuados. La sobretensión o
    polarización está representada en la figura 6 en la
    que se ha indicado la tensión en función de
    la corriente.

    Medición de sobretensión de un electrodo
    suelto
    Para medir la polarización o sobretensión de un
    electrodo suelto puede emplearse el montaje con una semipila
    representado en la figura 7. Se hace circular una corriente entre
    el electrodo de trabajo A y el contraelectrodo C y se observa el
    potencial con ayuda de un electrodo de referencia B. Con el fin
    de eliminar al máximo la caída de tensión en
    el electrolito se utiliza, para medir los potenciales, un capilar
    de Haber-Luggin D en el que se ha introducido el citado electrodo
    de referencia B.
    Como electrodo de referencia puede emplearse, al igual que para
    medir los potenciales de la serie electromotriz, un electrodo
    normalizado de hidrógeno o un "electrodo de segunda clase"
    como, por ejemplo, uno de calomelano.
    La sobretensión o polarización es función de
    la densidad de
    corriente i

    5. Electrólitos y
    catalizadores

    Si se desea reducir al máximo la resistencia
    interna de la pila, habrá que utilizar un electrolito con
    una conductividad específica elevada. Además, el
    espesor de la capa de electrolito debe ser lo menor posible. Las
    bases, los ácidos y las sales fundidas constituyen, por
    ejemplo, electrolitos de buena conductividad. Los
    hidróxidos alcalinos se distinguen por su gran estabilidad
    y su muy buena conductividad. Permiten utilizar electrodos
    compuestos por metales relativamente poco nobles, ya que la
    tendencia a la corrosión de los metales en, por ejemplo,
    una solución de potasa cáustica es muy reducida.
    Las dificultades aparecen si se desea utilizar un electrolito
    ácido, pues exceptuando los metales nobles de alto
    precio, hay
    pocas sustancias que puedan emplearse como catalizadores o para
    fabricar las distintas piezas. Como catalizadores para la
    oxidación del combustible se están ensayando
    actualmente el carburo de volframio, el fosfuro de cobalto
    (CoP3) y el disulfuro de molibdeno. Para la
    reducción del oxígeno se utilizan ftalocianinas
    polimerizadas sobre estructuras de
    carbón y carbones activados. En medio ácido, la
    reducción del oxígeno se desarrolla con
    incorporación de cuatro electrones de acuerdo con la
    ecuación:
    O2 + 4H+ +4e- Þ 2H2O

    Algunos Electrodos Empleados
    Las pilas de combustible hidrógeno-oxígeno son las
    que han alcanzado mayor grado de desarrollo,
    pues las reacciones del hidrógeno con el oxígeno
    son las han sido estudiadas con más detalle. Las ventajas
    de las "pilas de gas detonante", como también se las
    llama, radican en la elevada reactividad que caracteriza a estas
    sustancias y en que como resultado de la reacción se
    obtiene agua, que es fácilmente evacuable.
    Sin embargo, el hidrógeno es un combustible caro que
    sólo puede almacenarse difícilmente, por ejemplo,
    en estado líquido.
    En Alemania R.F.
    se desarrolló un tipo de electrodos para electrolitos
    alcalinos, que se conoce con el nombre de electrodo con
    catalizador doble esqueleto y está formado por
    níquel de Raney o por plata de Raney con
    níquel-carbonilo. Disolviendo el aluminio
    incorporado en la aleación, se obtiene un electrodo con
    una estructura de
    níquel o plata muy desordenada que presenta una actividad
    excelente.
    En Siemens se desarrollaron electrodos no aglomerados (electrodos
    soportados) de gran superficie formados por catalizadores de
    Raney no sinterizados de alta actividad y por una capa porosa de
    asbesto impregnada de electrolito. Estos electrodos pueden ser
    muy delgados y trabajar con presiones de gas relativamente
    pequeñas.

    Interfase Binaria
    Los electrodos con interfase binaria (figura 9a) pueden
    reaccionar con combustibles o agentes oxidantes líquidos
    disueltos directamente en el electrolito. La reacción se
    produce entonces en la interfase formada por el material
    catalizador del electrodo y el electrolito que incluye en
    disolución
    El combustible o el agente oxidante. Este procedimiento se
    utiliza también para la oxidación de los alcoholes, las
    hidracinas y el peróxido de hidrógeno.
    Entre los electrodos que presentan una interfase binaria figuran
    también los metálicos no porosos como, por ejemplo,
    los de lámina de Pd o Pd-Ag. En la figura 9b se representa
    la constitución esquemática de un electrodo no
    poroso de difusión. El hidrógeno sólo llega
    al electrolito por difusión. Se difunde a nivel
    atómico a través de la estructura del metal y
    reacciona, tras ser ionizado. con los iones OH-.
    H2 Þ
    2H+ + 2e-
    H+ +
    OH- Þ
    H2O + 2e-
    Como no es preciso que
    se establezca una interfase ternaria, es posible elegir
    libremente la presión y la composición
    química de los gases

    6. Tipos de pilas de
    combustible

    Es dificil hoy en día determinar cual es la mejor
    pila de combustible. El estudio realizado por Arthur D. Little
    Inc. Expresa que no existe una pila de combustible que eclipse a
    las otras. Este resultado es esencialmente debido a que el
    mercado para las
    celdas de combustible es muy variado, yendo de estaciones
    generadoras de gran tamaño hasta automóviles. Cada
    segmento de este mercado puede ser
    satisfecho con una variada mezclas de
    tecnologias. No obstante se intenta dar un panorama de los tipos
    mas comunes.

    Pila De Acido Fosfórico (Pafc)
    Este es el tipo de pila mas desarrollado a nivel comercial. Estas
    pilas de ácido fosfórico
    (H3PO4), generan electricidad a
    mas del 40% de eficiencia y
    cerca del 85 % si el vapor producido es empleado en
    cogeneración, comparado con el 30% de la mas eficiente
    máquina de combustión interna este es un rendimiento
    mas que óptimo.
    Las temperaturas de operación se encuentran entre los 180
    a 210 °C. Su uso es muy apropiado para generación
    estacionaria o móvil de gran dimensión como
    camiones, embarcaciones o trenes.
    Existen en producción comercial unidades de alrededor
    de 200 kW. Cuenta con la desventajas de requerir metales nobles
    en el catalizador. Utiliza H2 como combustible y
    tolera el CO2.
    Pila De Polimero Solido O Membrana De Intercambio
    Protónico (Pem)
    Estas celdas operan a relativamente bajas temperaturas, alrededor
    de los 95 °C, tienen una densidad de potencia alta,
    pueden variar su potencia de
    salida rápidamente para satisfacer cambios en la demanda de
    potencia y son adecuadas para aplicaciones donde se requiere una
    demanda
    inicial rápida, tal como el caso de los
    automóviles. De acuerdo con el Departamento de
    Energía de EE.UU., son las principales candidatas para
    vehículos ligeros, edificios y potencialmente para otras
    aplicaciones mucho mas pequeñas como las baterías
    recargables de las videocámaras.

    Pila de carbonato fundido (mcfcs).
    Las pilas de combustible de carbonato fundido
    (Li2CO3 – K2CO3
    – Na2CO3) prometen altas eficiencias
    combustible-electricidad y la
    habilidad para consumir combustibles base carbono (CO Y
    H2). Esta celda opera a temperaturas del orden de los
    600 a 700°C, lo que hace que sea aprovechado altamente el
    calor.
    Estas pilas pueden operar desde el 25% al 125% de la capacidad
    nominal de la planta. Según los datos del
    plan
    preliminares (EPRI, 1992), una planta de 2MW de potencia de
    carbonato fundido tendrá una superficie de 511 m²
    (5,500 ft²) y puede instalarse al aire libre o
    interior. Las pilas de combustible de carbonato fundido necesitan
    más de 16 horas para alcanzar el rendimiento óptimo
    desde su estando en frío. Si se mantuvo en estado de
    espera, tomará aproximadamente un minuto alcanzar el pleno
    rendimiento..
    Otra de las ventajas es que no requiere metales nobles y utiliza
    el CO como combustible.

    La primera pila de carbonato fundido a gran escala ha sido ya
    probada y algunas unidades para demostración están
    siendo terminadas.

    Pila de óxido sólido (sofc).
    Otra pila de combustible altamente prometedora, la pila de
    combustible de óxido sólido (ZrO2)85(CaO)15,
    podría ser usada en aplicaciones grandes de alta potencia
    incluyendo estaciones de generación de energía
    eléctrica a gran escala e
    industrial. Algunas organizaciones
    que desarrollan este tipo de celdas de combustible también
    prevén el uso de estas en vehículos motores. Una
    prueba de 100 KW está siendo terminada en Europa mientras
    que dos pequeñas unidades de 25 KW se encuentran ya en
    línea en Japón.
    Un sistema de
    óxido sólido normalmente utiliza un material duro
    cerámico en lugar de un electrólito líquido
    permitiendo que la temperatura de operación alcance los
    1.000 °C a presiones atmosféricas. Las eficiencias de
    generación de potencia puede alcanzar un 60% si bien las
    altas temperaturas originan problemas serios en los materiales que
    conforman las pilas, también las hacen muy atractivas para
    la cogeneración, haciendo que su rendimiento sea muy
    superior. El combustible que utiliza es H2 y
    CO2.
    La conversión directa de hidrocarburos
    en energía eléctrica en instalaciones estacionarias
    de gran potencia ofrece ventajas considerables. Las altas
    temperaturas permiten que las reacciones que tienen lugar en los
    electrodos, inhibidas en parte cinéticamente por las
    temperaturas reducidas, se desarrollen a mayor velocidad.
    Además, a altas temperaturas, disminuye considerablemente
    la propensión al envenenamiento de los catalizadores. A
    temperaturas de 550°C a 750°C se trabaja con
    electrólitos formados por carbonatos fundidos.
    A temperaturas comprendidas entre 800°C y 1000°C se
    utilizan electrólitos sólidos de dióxido de
    circonio-óxido de calcio, pues éstos presentan una
    buena conductividad iónica a temperaturas
    elevadas.

    Pilas Alcalinas (Afc)
    Estas pilas son utilizadas desde hace mucho tiempo por la
    NASA en misiones espaciales, este tipo de pilas puede alcanzar
    eficiencias de generación eléctrica de hasta el
    70%. Los electrolitos mas usados son el hidróxido de
    potasio (KOH) y el hidróxido de sodio (NaOH). Hasta hace
    no mucho tiempo eran muy costosas para aplicaciones comerciales,
    pero el desarrollo que han tenido por parte de varias
    compañías, tienden a reducir costos y mejorar
    la flexibilidad de su operación.
    Para el proyecto Geminis
    se desarrolló una batería
    H2-02 de 1 kW con membranas
    intercambjadoras de iones. Como electrólito se
    utilizó una membrana intercambiadora de cationes formada
    por un macropolímero sulfonado. Los electrodos constaban
    de unas redes finas de
    alambre con catalizadores incorporados de metal noble y
    presionaban por ambos lados contra la membrana. La corriente era
    transportada en la membrana por iones positivos H+. El
    agua formada como producto de la reacción era absorbida,
    en parte, por la membrana y evacuada del cátodo a
    través de un sistema de drenaje por mecha. Podía
    ser utilizada como agua potable por los astronautas.
    En el campo de las pilas de combustible de media temperatura, el
    desarrollo de los electrodos y de las baterías fue
    impulsado decisivamente por los innovadores trabajos de Bacon.
    Este científico desarrolló una pila de combustible
    hidrógeno-oxígeno con electrodos de doble capa
    sintetizados de níquel-carbonilo. Los ánodos de
    hidrógeno de estas pilas se impregnaban de sales de
    níquel y se reducían, sometiéndolos a una
    corriente de hidrógeno, hasta alcanzar la actividad
    catalítica deseada. Los cátodos de oxígeno
    se impregnaban con litio y se preoxidaban. Como resultado de ello
    se obtenía un óxido de níquel semiconductor
    que se. caracterizaba por una elevada actividad catalítica
    y por una buena resistencia a la corrosión.

    Este sistema se empleó también, de forma
    modificada, en el proyecto Apolo.
    Obtención De Tensión Elevada
    El desarrollo de un buen electrodo es sólo un
    pequeño paso en el camino que conduce a una pila de
    combustible independiente. Los problemas aumentan todavía
    cuando se pasa de una pila independiente a una batería con
    su complejo sistema de gestión
    del agua, de control de la
    temperatura y de evacuación de los gases inertes.
    En los electrodos porosos no se transforman gases como,
    por ejemplo, el nitrógeno o los gases nobles, por lo que
    éstos deben eliminarse periódicamente.
    Uno de los inconvenientes de las pilas de combustible es que
    sólo pueden suministrar una tensión pequeña,
    de aproximadamente 1 V, y una corriente cuya intensidad depende
    del tamaño de los electrodos y de la calidad de los
    catalizadores. Sin embargo, actualmente ya se alcanzan densidades
    de corriente de 250 a 400 mA/cm con electrodos no aglomerados
    obtenidos por sedimentación
    Para alcanzar una tensión elevada deben conectarse las
    pilas en serie y a fin de aumentar la intensidad de la corriente
    han de conectarse en paralelo, tal como está representado
    en las figuras 13a y 13b.

    7. Fuentes
    consultadas

    Constitución y funcionamiento de las pilas de
    combustible, erhard weidlich, siemens atiengesellschaft,
    berlín y munich & marcombo s.a.
    Enciclopedia encarta 2001,
    Manual de
    fòrmulas técnicas,
    kurt Gieck, Alfaomega

     

     

     

    Autor:

    Ing Eduardo H. D’Elía
    Master en Evaluación
    de Impactos Ambientales

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