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¿Qué son? Son un dispositivo en el que un flujo continuo de combustible y oxidante sufre una reacción química controlada, suministrando directamente corriente eléctrica a un circuito externo. Los electrodos son estables y las emisiones contaminantes son mínimas o nulas. En las celdas de combustible los reactivos se suministran de forma continua desde el exterior, pudiendo generar energía eléctrica de forma ininterrumpida. El hidrógeno es un fluido que se pueda suministrar de forma continua al ánodo de las celdas de combustible. El oxígeno es otro fluido que se pueda suministrar de forma continua al cátodo de las celdas combustible. Cuando los fluidos son hidrógeno y oxígeno, además de producir energía eléctrica, el resultado de la reacción es agua. El hidrógeno se inyecta por el ánodo y el oxígeno por el cátodo. En la pila de combustible se obtiene electricidad a partir de sustancias que reaccionan químicamente entre sí.
Reacción en el ánodo: H2 –>2H+ + 2e-
Reacción en el cátodo: ½ O2 + 2H+ + 2e- –> H2O
Reacción global: H2 + ½ O2 –> H2O
Características y Funcionamiento El principio de funcionamiento es el contrario al de la electrólisis del agua, esto es, se hace llegar oxígeno e hidrógeno a los electrodos de una celda electrolítica en los que tiene lugar una reacción electroquímica por la que se produce H 2 O, una corriente eléctrica y calor residual. Las reacciones que se producen en el ánodo y el cátodo. Entre los dos electrodos aparece una fuerza electromotriz. Si se quiere más tensión y más corriente se conectan más pilas formando asociaciones serie paralelo. La tensión de las celdas de combustible en un circuito abierto es de 1,2 V. El ánodo es donde se oxida el combustible y el cátodo donde el oxidante se reduce. El electrólito actúa como aislante eléctrico, como conductor protónico y como separador de las reacciones químicas del ánodo y del cátodo. Los electrones del van del ánodo al cátodo por el exterior, es decir por el circuito. Los protones van del ánodo al cátodo por el electrólito. La unión en el cátodo da lugar a la reacción en la que se produce agua, saliendo agua y nitrógeno. Algunas características son: Los reactivos no son parte integrante de la pila, se alimentan desde el exterior en forma continua. La pila funcionará mientras se alimenten tanto el combustible como el oxidante. Los electrodos no participan en la reacción, son inertes. Han de ser porosos para dejar paso a los gases.
Pilas de combustible alcalinas (AFC) Tienen un electrolito formado por una solución acuosa de hidróxido de potasio. El rendimiento es de un 60% y la temperatura de trabajo entre 90 y 100 ºC. Necesita emplear hidrógeno puro, siendo las principales aplicaciones militares y espaciales. Pilas de ácido fosfórico (PAFC) Tienen un electrolito formado por ácido fosfórico líquido, un rendimiento entre el 50 y el 80%. La temperatura de funcionamiento está entre los 175 y 200ºC, aceptando hidrógeno impuro. Se utiliza para aplicaciones estacionarias y aparatos portátiles. Pilas de carbonato fundido (MCFC) Utilizan como electrolito una solución líquida de litio, sodio y potasio. El rendimiento está entre el 60 y el 90% siendo su temperatura de funcionamiento alrededor de los 800 ºC. Los catalizadores que utiliza son baratos aceptando hidrocarburos. Su aplicación es en instalaciones estacionarias. Pilas de óxido sólido (SOFC) Usan como electrolito el óxido de zirconio sólido con algo de itrio sólido. Tienen un rendimiento entre un 60 y 90%, siendo la temperatura de funcionamiento de unos 800ºC. Los catalizadores que utiliza son baratos, aceptando también hidrocarburos. Su aplicación es para instalaciones estacionarias. El almacenamiento del hidrógeno es fundamental para poder implementar las celdas de combustible. Para almacenar hidrógeno se requiera una gran cantidad de energía. Las opciones para almacenarlo son, por una parte, como gas a presión. Por otra parte, licuando el hidrógeno o formando hidruros metálicos. En forma líquida, el hidrógeno se licua a 14ºK. En este licuado se pierde un 30% de la energía potencial. Uno de los mayores problemas en el almacenamiento del hidrógeno es la seguridad. Una fuga puede ocasionar la inflamación de este y provocar una explosión e incendio. Ventajas
Beneficios medioambientales: Altas eficiencias en la utilización del Hidrógeno Emisión cero de contaminantes Funcionamiento silencioso Beneficios en la ingeniería de pilas de combustible: Admisión de diversos combustibles: Cualquier combustible si incluye hidrógeno en su composición puede ser reformado. Altas densidades energéticas: La cantidad de energía que puede generar una pila de combustible continúan aumentando conforme se realizan nuevas investigaciones y desarrollos asociados de los productos respectivos. Flexibilidad de emplazamiento: Las celdas de combustible, operatividad con bajos ruidos, emisión cero y requerimientos mínimos, pueden ser instaladas en multitud de lugares, de interior o exterior, residenciales, industriales o comerciales. Capacidad de cogeneración: Cuando se captura el calor residual generado por la reacción electroquímica de la pila de combustible, éste puede emplearse por ejemplo para calentar de agua o en aplicaciones espaciales para calentar la nave. Simplicidad del dispositivo Seguridad energética: El hidrógeno usado como combustible en las pilas de combustible puede ser producido a nivel doméstico a través del reformado de gas natural, electrólisis del agua o fuentes renovables como eólica o fotovoltaica. La generación de energía a este nivel evita la dependencia de fuentes extranjeras que pueden localizarse en regiones del Mundo inestables. Independencia de la red de suministro energético: Un sistema de celdas de combustible residencial permite una independencia a sus habitantes respecto a la red de suministro eléctrico, la cual puede tener irregularidades. Desventajas Tecnología emergente : Determinados problemas aún no resueltos afectan al funcionamiento de las pilas de combustible, especialmente en lo que respecta a su vida útil.
