Pila de combustible: tipos, usos y propiedades

Existen diferentes tipos de pilas de combustible. Las hay alcalinas, de membrana polimérica, de ácido fosfórico, de carbonatos fundida, de óxido sólido, de conversión directa de metanol y reversibles o regenerativas. Cada una posee unas propiedades específicas que la hacen posible para las diferentes formas de obtención de energía.

coche hidrogeno - pila combustible

Hemos hablado de como funciona un motor de hidrógeno y de las ventajas y desventajas de las pilas de combustible. Movidos por algunos comentarios y la inquietud de ampliar nuestro conocimiento en el tema, hoy vamos a hablar de los tipos de pilas de combustible.

Mucho han cambiado hoy en día las pilas de combustible desde la primera vez que se diseñaron. Sir William Robert Grove, un abogado londinense desarrolló entre 1835 y 1845 lo que llamó batería de gas que hoy se conoce como pila de combustible. Este jurista con vocación por física, demostró que se podía obtener energía a partir de la reacción electroquímica entre el hidrógeno y el oxígeno.

En este caso la batería de gas estaba compuesta cuatro celdas electroquímicas, cada una compuesta por un electrodo con hidrógeno y oxígeno separado por un electrolito. Este último compuesto ha sido el que ha hecho posible que existan diferentes tipos de pilas de combustible.

Dependiendo del electrolito la reacción química que se produce será diferente. Además dependiendo del electrolito varían las propiedades de la pila. Poco se podía imaginar Sir William que su descubrimiento iba a ser tan importante al recibir crítica hace ya más de un siglo y medio.

Con el paso de los años, la evolución de las pilas de combustible ha sido enorme, permitiendo la incorporación de este tipo de baterías a un gran número de sistemas.

 

  • Batería de membrana polimérica (PEM)

Las baterías de membrana polimérica (PEM) son las más conocidas, ellas fueron explicadas en el artículo sobre  el motor de hidrógeno. Este tipo de baterías son las que se conocen como pilas de combustible.

Como únicos elementos para poder funcionar aparecen el agua, el hidrógeno y el oxígeno. Por otra parte, las pilas PEM precisan como electrolito un polímero sólido y electrodos porosos de carbón, los cales requieren de la existencia de un catalizador de platino.

Este tipo de celdas están diseñadas para funcionar a bajas temperaturas, entre 60 y 100 ºC, lo cual permite un arranque rápido. La densidad energética que se obtiene es elevada y son ligeras tanto en peso como en tamaño, lo que permite que sean utilizadas en automóviles.

El uso de un electrolito sólido y las bajas temperaturas de funcionamiento hace que este tipo de celdas sufran menor desgaste ni corrosión, evitando problemas de dirección y aumentando la duración de las mismas. Pero por otro lado, el uso del catalizador de platino hace que sea un sistema caro. Además este tipo de catalizadores son extremadamente sensibles al CO.

La elevada sensibilidad al monóxido de carbono requiere que se utilice un reactor para reducir los niveles de este compuesto. Otra de las recomendaciones es que el combustible utilizado no provenga de alcoholes o hidrocarburos para así poder evitar la formación de estas moléculas.

El mayor obstáculo que presentan estos tipos tipos de celdas en el uso de vehículos es el almacenamiento del hidrógeno. La baja densidad de este elemento químico imposibilita el almacenaje de grandes cantidades de compuesto.

 

  • Celda alcalina

Otro de los sistemas que han sido creados a partir de los estudios de Sir William, son las llamadas celdas alcalinas o pilas de combustible alcalinas (AFC). Su peculiaridad es el uso de un electrolito formado por una solución de hidróxido potásico (KOH). Como catalizadores puede usar una gran variedad de metales no preciosos.

Las pilas AFC funcionan a temperaturas algo más elevadas que las PEM, entre 100 y 250 ºC, aunque recientemente se están usando algunas que pueden funcionar entre 23 y 70 ºC.

El rendimiento de este tipo de células es elevado, oscilando el 60-70%, en parte debido a la velocidad a la que se producen las reacciones en el interior de esta. Debido a esto han sido ampliamente utilizadas en la industria espacial, tanto para la obtención de energía como agua.

Las pilas alcalinas tienen la principal desventaja de ser muy sensibles a contaminación por CO2. Este suceso requiere del a purificación tanto de los tanques de hidrógeno como de oxígeno, siendo un proceso muy costoso. Debido a esta desventaja ha sido por lo que ampliamente han podido ser utilizados en misiones espaciales.

El mayor obstáculo que presentan este tipo de pilas para llegar a ser rentables es su viabilidad. Mientras que para poder ser económicamente rentables su duración debería de ser de 40 mil horas, en la actualidad la vida media oscila las 8 mil horas.

 

  • Pila de ácido fosfórico (PAFC)

Otro sistema de catalizador es el que se usa en las pilas de ácido fosfórico (PAFC). Las pilas PAFC al contrario que las AFC están disponibles comercialmente y han sido distribuidas para sistemas de generación estacionaria. Dentro de estos sistemas podemos ver hospitales, residencias particulares, hoteles, aeropuertos, etc.

Las pilas PAFC usan como electrolito ácido fosfórico líquido y, al igual que las pilas PEM, requieren de electrodos de carbono poroso que contienen un catalizador de platino. Con los problemas asociados a ello explicados más arriba.

El rendimiento en la obtención de energía eléctrica se sitúa alrededor del 40%, pero al ser usadas para la obtención conjunta de esta con energía calorífica su rendimiento aumenta hasta el 85%. el requerimiento térmico para que las pilas de ácido fosfórico pueda operar correctamente oscila entre los 175 y 200 ºC.

Las elevadas temperaturas de funcionamiento las hacen más resistente a las impurezas de los compuestos. Pero su capacidad de generar energía en comparación con su peso y volumen es baja. Debido a ello se requiere de un gran tamaño de celdas, lo que le confiere también un gran peso y un elevado coste.

El peso de las pilas PAFC imposibilita su uso en vehículos pequeños, pudiendo llegar a ser usado en autobuses o camiones. A pesar de esto su uso está prácticamente limitado a los sistemas de generación estacionaria que antes hemos comentado.

 

  • Pila de combustible de carbono fundido

Las pilas que usan como electrolito una solución líquida carbonatos de litio, sodio y potasio se denominan pilas de combustible de carbonato fundido (MCFC). Los compuestos carbonatados se encuentran en una matriz cerámica porosa químicamente inerte de óxido de litio-aluminio.

Las pilas MCFC requieren de elevadas temperaturas para operar, situándose esta entre 600 y 1000 ºC. Estas temperaturas hacen posible la utilización de metales que no son nobles como catalizadores. La omisión de este tipo de elementos hacen que el coste disminuya en una gran proporción.

Este tipo de pilas presenta un rendimiento superior que las de ácido fosfórico cuando son utilizadas para la obtención de energía eléctrica. Además también tienen un coste menor, lo que la hacen más ventajosas para sistemas de generación estacionaria. Sin embargo, el uso de las pilas MCFC para la generación conjunta de energía eléctrica y calorífica es similar a las PAFC.

Las elevadas temperaturas a las que es capaz de operar hace posible el uso de diferentes combustibles como pueden ser el hidrógeno, el monóxido de carbono, el gas natural y el propano entre otros. Esto también otorga a este tipo de pilas una elevada resistencia a impurezas, aunque tienen sensibilidad a los compuestos contaminantes del carbono como el azufre y partículas.

 

  • Pila de óxido sólido (SOFC)

Por último vamos a explicar las pilas de óxido sólido (SOFC). Diseñadas para ser usadas en aplicaciones grandes, como centrales industriales, las pilas SOFC usan como electrolito un componente de cerámica duro y no poroso.

El uso de un componente sólido hace que no se requiera de la construcción de una configuración laminar. A pesar de tener un rendimiento un poco menor que las MCFC, las pilas SOFC pueden opera a una temperatura similar, siendo mayor el punto óptimo que se sitúa en los 1000 ºC en vez de los 650 de las MCFC.

Estas pilas son resistentes a los compuestos de azufre y son capaces de convertir los compuestos internamente. De esta forma pueden usar diferentes compuestos como combustibles al igual que ocurría en las MCFC.

Las temperaturas extremadamente elevadas crean varios inconvenientes entre los que se pueden destacar la baja vida útil, el arranque lento, la imposibilidad de ser utilizados en los medios de transporte. El avance tecnológico que requieren las pilas SOFC consiste en la obtención de materiales resistentes a las esta temperatura de bajo coste.

 

  • Otro tipo de pilas de combustible

Existen más tipos de pilas como las reversibles o regenerativas que están desarrollandose que tienen la capacidad de producir electricidad, calor y agua a partir de hidrógeno y oxígeno. La peculiaridad de estas es la capacidad de dividir el exceso de agua mediante otra fuente de energía para volver a obtener hidrógeno y oxígeno.

Las pilas de conversión directa de metanol, son similaers a las PEM pero tiene la capacidad de utilizar el metanol, etanol y otros hidrocarburos como combustible directamente para la obtención de hidrógeno.

Existen otros tipos de pilas basadas en las pilas PEM y PAFC que están todavía en proceso de inestigación como pueden ser las pilas de combustible de cerámica protónica y algunas otras que si que están comercializándose como las pilas de combustible zinc-aire, pero su eficacia no es superior a las ya mencionadas, ni son tan utilizadas hoy en día.

La cantidad de pilas de combustible que hay es bastante grande, aunque para poder actuar a nivel de la movilidad sostenible tan solo existen las pilas de membrana polimérica y las de ácido fosfórico. El abaratamiento y mejora de estas parece ser el principal objetivo para la aplicación en turismos y vehículos de transporte urbano.

 

Imagenes de: Cienciateca.es, Monografias.com (Pilas de combustible por Edicardo D’Elia), Ambientum.com y Marcadecoche.com

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