Las pilas de combustible están revolucionando nuestra forma de concebir la energía. Desde alimentar hogares hasta alimentar automóviles, representan una alternativa más limpia y sostenible a los combustibles fósiles.
Según el tipo de electrolito, existen tres tipos principales de pilas de combustible. Esa clasificación determina qué tipo de reacciones electroquímicas tienen lugar en la celda, qué tipos de catalizador se requieren, el rango de temperatura para el funcionamiento de la celda, el tipo de combustible necesario, etc.
A continuación, analizamos con más detalle cinco tipos principales de pilas de combustible, cómo funcionan y dónde se pueden encontrar en la práctica.
¿Qué son las pilas de combustible y cómo funcionan?
Las pilas de combustible (PC) son dispositivos electroquímicos que convierten la energía química de los combustibles, generalmente hidrógeno, directamente en electricidad. Emiten muy poca contaminación en comparación con un motor de combustión, por lo que constituyen una fuente de energía respetuosa con el medio ambiente.
Las pilas de combustible Gracias a su versatilidad, eficiencia y bajo impacto ambiental, permiten adaptar rápidamente el flujo de necesidades energéticas. Son especialmente importantes para apoyar iniciativas como la descarbonización de la economía, donde ya no dependemos de los combustibles fósiles.
Tipos de pilas de combustible
pila de combustible PEM (membrana de intercambio de protones) )
Las pilas de combustible PEM utilizan un polímero sólido como electrolito y electrodos de carbono poroso que contienen un catalizador de platino o aleación de platino. Las pilas de combustible PEM tienen una baja temperatura de funcionamiento (aproximadamente 80 °C | 176 °F). Esta baja temperatura permite arranques rápidos (menor tiempo de calentamiento), reduce el desgaste de los componentes y proporciona una mayor durabilidad. Las pilas de combustible PEM se utilizan principalmente en aplicaciones de transporte y en algunas aplicaciones estacionarias.
Cómo Funciona
En el ánodo, el hidrógeno se oxida para generar protones y electrones paramagnéticos. A medida que los protones atraviesan la membrana, los electrones fluyen por un circuito externo para producir electricidad.
Aplicaciones de las pilas de combustible PEMFC
- Sistemas de energía portátiles
- Vehículos de pila de combustible
- Energía de respaldo en el hogar
Beneficios:
Tiempo de arranque muy corto, tamaño compacto y bajas temperaturas de funcionamiento.
Inconvenientes:
Los catalizadores son caros y sensibles a la contaminación por combustible.
Pila de combustible de óxido sólido (SOFC)
Las SOFC utilizan un electrolito cerámico sólido con temperaturas de funcionamiento de 600 a 1000 °C. El electrolito es un compuesto cerámico duro y no poroso. La conversión de combustible en electricidad con las SOFC tiene una eficiencia aproximada del 60 %. En aplicaciones de cogeneración, donde se recupera y utiliza el calor residual, la eficiencia total de uso del combustible puede superar el 85 %.
Principio de funcionamiento
Los iones de oxígeno atraviesan el electrolito cerámico, donde reaccionan con el hidrógeno produciendo electricidad, agua y calor.
Usos clave de SOFC
- generación de energía en plantas industriales
- Cogeneración
Ventajas
Gran eficiencia y puede utilizar hidrocarburos.
Desventajas
Las pilas de combustible de óxido sólido (SOFC) funcionan a temperaturas extremadamente altas, de hasta 1,000 °C (1,830 °F), lo que degrada los materiales con el tiempo.
Pila de combustible alcalina (AFC)
Las pilas de combustible alcalinas (AFC) emplean un electrolito de hidróxido de potasio. Como una de las primeras tecnologías de pilas de combustible desarrolladas, las AFC fueron las primeras en utilizarse en el programa espacial estadounidense para generar energía eléctrica y agua a bordo de vehículos. Son pilas de combustible similares a las pilas de combustible PEM convencionales, con la diferencia de que en lugar de una membrana ácida, se utiliza una membrana alcalina. El alto rendimiento de las AFC se debe a la velocidad de las reacciones electroquímicas que tienen lugar en su interior. Además, han demostrado una eficiencia del 60 % en aplicaciones espaciales.
Funcionalidad y mecanismo
Las pilas de combustible alcalinas utilizan una solución de hidróxido de potasio en agua como electrolito y pueden emplear diversos metales no preciosos como catalizadores en el ánodo y el cátodo. El hidrógeno y el oxígeno reaccionan en un medio alcalino produciendo electricidad, agua y calor.
Aplicaciones comunes
- Misiones espaciales (programa Apolo, etc.)
- Potencia de respaldo
Ventajas:
Es muy eficiente y fiable.
Desventajas :
Susceptible a la contaminación por CO2.
Pila de combustible de ácido fosfórico (PAFC)
Las pilas de combustible de ácido fosfórico (PAFC) funcionan a temperatura media (150–200 °C) y utilizan ácido fosfórico. En estas pilas, el electrolito es ácido fosfórico líquido, contenido en una matriz de carburo de silicio con aglutinante de teflón, y se utilizan electrodos de carbono poroso con un catalizador de platino tanto para el ánodo como para el cátodo.
Por lo tanto, la pila de combustible PAFC se denomina pila de combustible de "primera generación". Es uno de los tipos de pilas más consolidados y la primera en utilizarse comercialmente. Su uso más común es estacionario, pero algunas pilas PAFC se han utilizado en vehículos grandes, como las microceldas urbanas.
La eficiencia de las pilas de combustible de ácido fosfórico (PAFC) es ligeramente superior a la de las centrales eléctricas de combustión, que suelen operar con una eficiencia de alrededor del 33%. En términos de peso y volumen, las PAFC también son menos potentes que otros tipos de pilas de combustible. Por consiguiente, tienden a ser voluminosas y pesadas. Además, las PAFC son caras. También utilizan mucha más cantidad de catalizador de platino que otros tipos de pilas de combustible, lo que eleva su precio.
Cómo funciona
El hidrógeno, en presencia de un catalizador, reacciona con el oxígeno para generar electricidad y agua.
Usos primarios
- Electricidad y calefacción para hospitales y hoteles.
- Centrales eléctricas de pequeña escala
Ventajas:
Muy tolerante a los contaminantes del combustible.
Desventajas:
En cuanto al tamaño y la eficiencia, son más grandes; también existen modelos más pequeños, pero no en todos los casos.
Celda de combustible de carbonato fundido (MCFC)
Las pilas de combustible de carbonato fundido (MCFC) funcionan a altas temperaturas (600-7000 °C) y utilizan una mezcla de sales de carbonato fundido como electrolito. Se están desarrollando para aplicaciones en el sector eléctrico, industrial y militar, utilizando centrales eléctricas de gas natural o carbón.
Las celdas de combustible de carbonato fundido (MCFC) utilizan una mezcla de sales de carbonato fundido dispersa en una matriz cerámica porosa e inerte de óxido de litio y aluminio. Esto permite el uso de metales no preciosos como catalizadores del ánodo y el cátodo, lo que supone un ahorro de costes debido a las temperaturas de funcionamiento de 650 °C (aproximadamente 1,200 °F).
Principio de funcionamiento básico
Los iones carbonato migran a través del electrolito para permitir la reacción electroquímica del hidrógeno con el oxígeno.
Aplicaciones industriales
- Generación de energía con servicios públicos a gran escala
- Sistemas de captura de carbono
Ventajas :
Alta eficiencia, puede utilizar múltiples combustibles.
Desventajas :
Problemas de corrosión y durabilidad.
¿Cómo se comparan con otras pilas de combustible?
Niveles de eficiencia Las SOFC y las MCFC son las más eficientes, mientras que las PEMFC operan con un nivel de eficiencia menor, pero se ponen en marcha más rápidamente.
Las condiciones de trabajo Las pilas de combustible PEM funcionan a temperaturas más bajas, pero las pilas SOFC y MCFC requieren temperaturas elevadas (HT).
Aplicaciones más adecuadas para : vehículos (PEMFC), industriales (SOFC), energía estacionaria (PAFC)
Ventajas de las pilas de combustible
- Ventajas ambientales : Emisión nula o mínima de contaminantes
- Muy eficiente : Más eficientes que los motores de combustión en la conversión de combustible en electricidad.
- Escalable: desde dispositivos portátiles hasta enormes centrales eléctricas
Celdas de combustible Desafíos, limitaciones y futuro
Factores de costo
Las pilas de combustible Son costosos debido al alto costo de los materiales, especialmente de los catalizadores, por ejemplo, el platino.
Problemas de infraestructura
La producción de hidrógeno es limitada, al igual que las estaciones de repostaje.
Desafíos técnicos
Otro desafío importante es la durabilidad a largo plazo y la degradación del rendimiento.
Avances en materiales
Es necesario abaratar el coste de las pilas de combustible, por lo que los investigadores están buscando materiales más económicos y duraderos.
Mercados potenciales
Especialmente para el transporte, aplicaciones industriales y sistemas de energía residenciales.
Importancia en la integración de las energías renovables
Al almacenar y generar energía a partir de recursos renovables, las pilas de combustible pueden actuar como activos de energía limpia que aumentan la capacidad de nuestra red eléctrica.
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https://tmnetch.com/hydrogen-cars-refuel-and-future-of-fuel-cells/
Preguntas Frecuentes
¿Qué tipo de pila de combustible es la más eficaz?
Las SOFC son un tipo de pila de combustible muy eficiente para aplicaciones estacionarias.
¿Qué tipos de combustible se pueden utilizar en las pilas de combustible?
Funciona principalmente con hidrógeno, pero algunos tipos pueden alimentarse con gas natural, biogás o metanol.
¿Son las pilas de combustible superiores a las baterías?
Las pilas de combustible Son más eficientes que las baterías para aplicaciones de larga duración y alta potencia.
¿Es posible utilizar pilas de combustible en vehículos?
Las pilas de combustible de membrana de intercambio de protones (PEMFC) son comunes en los vehículos propulsados por hidrógeno.
¿Cuánto duran las pilas de combustible?
Dependiendo del tipo, las pilas de combustible tienen una vida útil de entre 5,000 y más de 40,000 horas con el mantenimiento adecuado.
