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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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