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Tecnologías de hidrógeno y celdas de combustible

En la actualidad esta forma de generar energía llama la atención de investigadores, Gobiernos y empresas, que ven en este tipo de  tecnologías una alternativa atractiva.

El diagnóstico detecta y aisla la falla, al mismo tiempo que ofrece la información acerca de su magnitud y origen.

Por Antonia Tapia.

Una celda de combustible es un dispositivo que genera electricidad por una reacción química. En este tipo de pilas, el flujo de productos químicos nunca se agota y con ellas se puede alimentar un motor eléctrico, iluminar una bombilla o una ciudad. Muchas de ellas actualmente tienen una eficiencia de hasta el 60 por ciento y, con algunas modificaciones tecnológicas, podrían alcanzar casi un ciento por ciento.

Tecnologias de hidrogeno y celdas de combustibleDe acuerdo con el libro publicado por el Doctor Ryan P. O› Hayre, investigador del Departamento de Ingeniería Mecánica de la Universidad de Stanford, denominado Fundamento de las Celdas de Combustible existen varios tipos de pilas de combustible, y cada una funciona de manera diferente. Muchas de ellas, por ejemplo, utilizan hidrógeno como combustible en lugar de petróleo. El científico explica que este tipo de dispositivo consta de dos electrodos: el ánodo (electrodo negativo) y el cátodo (electrodo positivo). En ellos tienen lugar todas las reacciones químicas. Para acelerar las reacciones se recubren ambos electrodos con un catalizador. Asimismo,  las celdas contienen un electrolito que transporta las partículas cargadas de un electrodo al otro.

La primera pila de combustible se fabricó en 1839 y su inventor fue  Sir William Grove. Grove sabía que el agua podría dividirse en hidrógeno y oxígeno mediante el envío de una corriente eléctrica (electrólisis). Acto seguido se planteó la hipótesis de que invirtiendo el procedimiento podría producir electricidad y agua. Creó una celda de combustible primitivo y la llamó Batería Voltaica de Gas. Después de experimentar con su nuevo invento, Grove demostró su hipótesis. Cincuenta años después, los científicos Ludwig Mond y Charles Langer acuñaron el término Pila de Combustible y construyeron un modelo práctico para producir electricidad.

Tipos de celdas
Las celdas de combustible suelen competir con otros dispositivos de conversión de energía. Actualmente, existen diversos tipos de celdas, las cuales se clasifican generalmente por la temperatura de su funcionamiento y el tipo de electrolito que utilizan. Algunas de ellas funcionan muy bien en plantas de generación de energía estacionaria. Otras pueden ser útiles para las pequeñas aplicaciones portátiles o para la alimentación de automóviles.

Tipo de Celda Electrolito empleado Temperatura de operación Reacciones del electrodo
Electrolito polimérico Membrana polimérica 60-140 ºC Ánodo:
Cátodo:
H2= 2H+ + 2e-
1/2 O2 + 2H+ + 2e- = H2O
Metanol dirigido Membrana polimérica 30-80 ºC Ánodo:
Cátodo:
CH3OH + H2O = CO2 + 6H+ + 6e-
3/2 O2+ 6H+ 6e- = 3H2O
Alcalina Hidróxido de potasio 150-200 ºC Ánodo:
Cátodo:
H2 + 2OH- = H2O+ 2e-
1/2 O2 + H2O + 2e- = 2OH
Ácido fosfórico Ácido fosfórico 180-200 ºC Ánodo:
Cátodo:
H2= 2H + +2e-
1/2 O2 + 2H+ + 2e-= H2O
Carbonato fundido Carbonato de litio / potasio 650 ºC Ánodo:
Cátodo:
H2 + CO32- = H2O + CO2 + 2e-
1/2 O2 + CO2 + 2e- = CO32
Óxido sólido Circonia estabilizada con itria 1000 ºC Ánodo:
Cátodo:
H2 + O2 = H2O + 2e-
1/2 O2 + 2e- = O2-

Celdas de combustible de membrana polimérica
Según el artículo “Multi-Hybrid Power Vehicles with Durable Proton Exchange Membrane Fuel Cell (PEMFC) and Lithium-Ion Battery”, publicado por el Departamento de Energía de Estados Unidos, las PEMFC serían las candidatas más efectivas en las aplicaciones de transporte. La PEMFC tiene una alta densidad de potencia y una temperatura de funcionamiento relativamente baja (de 60 a 80 grados Celsius o 140 a 176 grados Fahrenheit). La temperatura de funcionamiento baja significa que no se necesita mucho tiempo para que la pila de combustible se caliente y empiece a generar electricidad.

Celdas tipo SOFC
En este tipo de celdas el electrolito es de un material cerámico sólido, y  el ánodo y el cátodo están hechos de materiales de alta ingeniería que convierten el combustible y el aire en electricidad. Las celdas de combustible de óxido sólido (SOFC) son las más adecuadas para emplearse en generadores de energía de gran envergadura, ya que  podrían proporcionar electricidad a fábricas o a pueblos enteros.

Las SOFC operan a muy altas temperaturas (entre 700 y mil grados Celsius) y son muy estables cuando están en uso continuo. De hecho, la SOFC ha mostrado la vida útil más larga de las pilas de combustible bajo determinadas condiciones de funcionamiento. La alta temperatura también tiene otra ventaja: el vapor producido por la pila de combustible se puede canalizar hacia turbinas para generar más electricidad. Este proceso se denomina co-generación de calor y energía (CHP) y mejora la eficiencia global del sistema.

En 1999, la Oficina de Energía Fósil creó la  Solid Alianza de Conversión de Energía Estatal, la cual promueve un programa para acelerar el desarrollo de pilas de combustible de óxido sólido y llevarlas al mercado lo más rápidamente posible. La intención del programa es comenzar a utilizar este tipo de tecnología en las grandes centrales eléctricas.

Celda de Combustible Alcalina
Este es uno de los diseños más antiguos para pilas de combustible. El programa espacial de los Estados Unidos las ha utilizado desde la década de 1960. Entre muchas de sus desventajas se destaca que la AFC es muy susceptible a la contaminación.

Pilas de Combustible de Carbonato Fundido
De acuerdo con el libro Fundamento de las Células de Combustible, estas celdas, al igual que la SOFC,  son las más adecuadas para los grandes generadores de energía estacionarios. Funcionan a 600 grados Celsius y tienen una temperatura de funcionamiento más baja que las pilas de combustible de óxido sólido. Esto hace que su diseño sea más costoso. Su desarrollo comenzó en la década de 1960 y sus aplicaciones tienen fines militares, industriales o de servicio.

Celdas de Combustible de Ácido Fosfórico
Este tipo de celdas tienen un gran potencial en pequeños sistemas de generación de energía estacionaria. Operan a una temperatura más alta que las PEMFC, por lo que tienen un mayor tiempo de calentamiento. Esto hace que no sea adecuado para el uso en automóviles.

Celdas de Combustible de Metanol Directo
Las DMFC son comparables a las PEMFC en lo que respecta a la temperatura de funcionamiento, pero no son tan eficientes. Además, la DMFC como catalizador requiere una cantidad relativamente grande de platino, lo que hace que sean muy costosas.

Limitaciones
No cabe duda que las pilas de combustible pueden ser la respuesta a nuestros problemas de energía, pero primero los científicos tendrán que resolver algunas cuestiones importantes. Así lo demuestra el estudio Células de Combustible: Principios, Tipos, Combustibles y  Aplicaciones, publicado por la Universidad Técnica de Múnich.

Costo
El principal de los problemas asociados con las células de combustible es su precio, ya que son mucho más caras que los motores de combustión interna que se utilizan actualmente para propulsar automóviles. También son más costosas que cualquier otro tipo de fuente de energía capaz de producir electricidad. Por ejemplo,  para los sistemas PEMFC, sus componentes representan el 70 por ciento del costo de un sistema. Por lo tanto, uno de los grandes retos es disminuir la cantidad de platino en los catalizadores o buscar una alternativa más accesible.

Durabilidad
Otro de los desafíos es desarrollar membranas PEMFC que sean durables y puedan funcionar a temperaturas superiores a 100 grados Celsius.

Disminuir Dependencia de Combustibles Fósiles

Uno de los mayores retos es que la generación de hidrógeno no dependa de los combustibles fósiles. Por ello, los científicos se encuentran desarrollando alternativas que provengan de fuentes renovables como la energía solar o eólica. También se encuentran investigando diversos  métodos que posibiliten un procesamiento de combustible a temperaturas mucho más bajas, que mediante los métodos convencionales. De esta manera, se podrían reducir los niveles de monóxido de carbono.

México, una Tecnología en Desarrollo
En México, desde la década de 1980, el interés por las celdas de combustible ha venido en aumento. Tal es el caso que el Instituto de Investigaciones Eléctricas (IIE) se ha convertido en uno de los pioneros en la materia; desde la década de 1990 intentó, mediante un proyecto demostrativo, integrar un sistema de generación eléctrica con una celda de combustible de ácido fosfórico de 200 kW. Este proyecto no pudo contar con financiamiento; sin embargo,  sí permitió que sus participantes se involucraran en la ingeniería asociada con la integración de un sistema de esta naturaleza, lo que incluyó su instalación y su arranque.

A principios del nuevo milenio, el mismo instituto montó un laboratorio dedicado al desarrollo de tecnologías de hidrógeno y celdas de combustible; paralelamente formó un grupo dedicado al desarrollo de  este tipo de tecnología. En la actualidad, entre otros proyectos, el Instituto se encuentran desarrollado prototipos de generadores de hidrógeno renovable con tecnología propia en electrolizadores de electrolito sólido, con miras a la generación distribuida del combustible.
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