Así funciona una pila de combustible
Pila de combustible de 1 kW
Seguramente te sonará el término. Según muchos informes, pronto dispondremos de esta energía limpia y eficiente para producir toda la electricidad que necesitamos en nuestras casas y coches. Pero, ¿qué es y cómo funciona?.
¿Qué es una pila de combustible?
Una pila de combustible es un dispositivo electroquímico de conversión de energía. La pila de combustible convierte el hidrógeno y el oxígeno en agua, en esa transformación se genera electricidad.
Otro dispositivo electroquímico con el que estamos más familiarizados es la batería. Una batería contiene dentro de sí misma, todos los elementos que necesita para producir la electricidad. Esto significa que cuando se agotan, tienes que recargarla o reemplazarla por otra.
En una pila de combustible los elementos químicos fluyen constantemente dentro de la misma, por lo que nunca se agota. Siempre que se produzca ese flujo químico, se generará electricidad. El elemento principal es la célula de combustible. Hay diferentes tipos de células de combustible, según el proceso químico (electrolito) que utilicen para producir electricidad. Unas son más adecuadas para plantas generadoras, otras son más indicadas para aplicaciones portables o para ser utilizadas en los coches.
La pila de combustible de membrana de intercambio de protones (proton exchange membrane fuel cell o PEMFC) es una de las tecnologías más prometedoras. Veamos cómo funciona…
Membrana de Intercambio de Protones
El ánodo, borne negativo de la célula, cumple varias funciones. Por un lado conduce los electrones liberados por las moléculas de hidrógeno de forma que ese flujo pueda ser aprovechado por un circuito externo. Está repleto de pequeños canales que dispersan el gas de hidrógeno por toda la superficie del catalizador.
El cátodo, borne positivo de la célula, también está repleto de pequeños canales para distribuir uniformemente el oxígeno en la superficie del catalizador. Conduce los electrones del circuito externo al interior de la célula, donde pueden recombinarse con los iones de hidrógeno y de oxígeno para producir agua.
El electrolito es la membrana de intercambio de protones (PEM). Un material especialmente tratado para conducir únicamente los iones cargados positivamente. La membrana bloquea el paso de los electrones.
El catalizador es un material especial que facilita la reacción entre el oxígeno y el hidrógeno. Suele consistir de un papel carbón o tela fina impregnada de polvo de platino. El catalizador es áspero y poroso para ofrecer la máxima superficie de platino a las moléculas de oxígeno e hidrógeno.
Funcionamiento
El hidrógeno en estado gaseoso (H2), se inyecta a presión en la pila de combustible por la parte del ánodo. Cuando una molécula de H2 entra en contacto con el catalizador (platino), se divide dando lugar a dos iones (H+) y dos electrones (e-). Los electrones salen de la célula a través del ánodo, recorriendo un circuito externo y produciendo algún trabajo útil, como el de arrancar un motor. Finalmente regresan de nuevo a la célula atravesando el cátodo.
Mientras tanto, en el lado del cátodo, se fuerza el paso del oxígeno al catalizador, lugar en el que se descompone en dos átomos. Cada uno de estos átomos posee una fuerte carga negativa que atrae a los dos iones de hidrógeno (H+) que atraviesan la membrana combinándose, cada uno de ellos, con un átomo de oxígeno y con los dos electrones que provenían del circuito externo, constituyendo una molécula de agua (H2O).
Esta reacción en una sola célula produce una tensión de 0.7 voltios. Para conseguir una tensión mayor, lo que se hace es combinar varias células formando una pila de células (pila de combustible). Las constantes innovaciones que se están realizando tanto en el diseño como en los materiales, permiten que, hoy en día, una pila del tamaño de una maleta pequeña pueda hacer funcionar un coche.
Problemas con la Pila de Combustible
Hasta aquí todo parece muy bonito, sin embargo, no todo es perfecto. Sigue leyendo…
Hemos visto que la célula de combustible necesita de un flujo constante de oxígeno e hidrógeno para funcionar. El oxígeno requerido proviene del aire. De hecho, en una típica célula PEM, el aire exterior se inyecta directamente dentro del cátodo. Lamentablemente, el hidrógeno no está disponible tan fácilmente y se necesita consumir mucha energía para producirlo. El hidrógeno también presenta importantes limitaciones de tipo práctico. Por ejemplo, ahora mismo, no hay surtidores de hidrógeno cerca de tu casa donde poder repostar.
El hidrógeno es difícil de almacenar y de distribuir. Sería interesante poder usar un combustible en las pilas que fuera más fácil de obtener. Esto es lo que realizan unos dispositivos denominados reformadores. Un reformador, convierte hidrocarburos o alcohol en hidrógeno que, a su vez, puede ser usado en la pila de combustible. Lamentablemente, los reformadores no son tampoco perfectos: producen calor y generan otros gases además del hidrógeno. Además, el hidrógeno generado no es del todo puro, con lo que la eficiencia desciende considerablemente.
Algunos de los combustibles reformadores más adecuados para obtener hidrógeno son el gas natural y el metanol. Mucha gente dispone en sus casas de gas natural o bombonas de propano que se podrían utilizar para alimentar pilas de combustible en el hogar. El metanol, por otra parte, es un combustible líquido similar a la gasolina y puede ser utilizado en pilas de combustibles para los coches. Es fácil de transportar y de distribuir. Podría convertirse en el candidato ideal para hacer funcionar a los coches con pilas de combustible, anticipando así la revolución del hidrógeno.
La revolución del hidrógeno (documental)
La dramática disminución de las reservas mundiales de petróleo llevará en pocos años, si no se encuentra una solución, a una crisis energética sin precedentes que obligaría a cambiar drásticamente el actual modo de vida.
Todo indica que el futuro de la energía pasa por hidrógeno, el combustible más limpio que existe. Es versátil y muy eficaz. Un combustible revolucionario, ya que transformará las relaciones sociales y económicas en todo el mundo. También supone una esperanza en la conquista de una economía energética sostenida.
Las ventajas de la utilización del hidrógeno como carburante son patentes: es una fuente de energía abundante y su combustión sólo origina vapor de agua y calor, además de ser un sistema energético no contaminante y silencioso. Entre los inconvenientes hay que señalar que es un gas muy inflamable y que sería muy costosa la construcción de las infraestructuras para su distribución.
El hidrógeno, a pesar de ser el elemento químico más ligero y abundante en el universo, es un combustible que no se puede aprovechar directamente, no es una fuente de energía propiamente dicha, sino un portador de energía. El problema es que no existen yacimientos de hidrógeno. Éste se encuentra en la madera, el carbón, el petróleo y el gas, pero sobre todo en el agua. La manera más limpia de extraer el hidrógeno es directamente del agua, el componente más abundante de la superficie terrestre. Y la gran ventaja del hidrógeno es que al ser un gas puede almacenarse.
En el documental elaborado por Documentos TV “La revolución del hidrógeno” se analiza cómo serán los coches del futuro, los motores eléctricos sustituirán a los de combustión y la electricidad procederá de una pila de combustible de hidrógeno. Los grandes fabricantes mundiales de automóviles ya están trabajando en los primeros prototipos y se calcula que hacia el 2010 se verán los primeros vehículos de hidrógeno. Hasta ahora, los coches han sido un medio de transporte. El hidrógeno añadirá una función completamente nueva. Las pilas de combustible producirán tanta energía que los coches se convertirán en centrales eléctricas móviles. De esa forma se pondrá en marcha la revolución del hidrógeno.
Ver video de TV2
Referencias:
Howstuffworks: How Fuel Cell works
Pilas de combustible: energía sin humos
Tecnociencia: especial pilas de combustible de hidrógeno
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Así funciona una pila de combustible
Posted - 06/12/2008 : 19:59:07
