| Celdas
de Combustible
¿Qué es una celda de combustible?
Una celda de combustible es un dispositivo electroquímico
cuyo concepto es similar al de una batería. Consiste en la
producción de electricidad mediante el uso de químicos,
que usualmente son hidrógeno y oxígeno, donde el hidrógeno
actúa como elemento combustible, y el oxígeno es obtenido
directamente del aire.
También pueden ser usados otros tipos de combustibles que
contengan hidrógeno en su molécula, tales como el
gas metano, metanol, etanol, gasolina o diesel entre otros. |
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| Debido a que la generación
de energía eléctrica es directa, la eficiencia que
alcanza una celda de combustible puede ser muy elevada, además
al no tener partes en movimiento son muy silenciosas. Sumado a todo
esto hay que agregar que la celda de combustible no usa la combustión
como mecanismo de generación de energía, lo que la
hace prácticamente libre de contaminación.
Las celdas de combustible individuales pueden combinarse para producir
motores más potentes impulsados por ejemplo a hidrógeno.
Pueden ser fabricadas de distintos tamaños y para distintas
aplicaciones que van desde su uso en telefonía celular, hasta
el uso de éstas para impulsar automóviles. |
| Funcionamiento
El funcionamiento de una celda de combustible consiste básicamente
en la oxidación del hidrógeno en agua, generando energía
eléctrica y calor directamente, sin pasar por generadores
u otros artefactos.
Toda celda de combustible está compuesta por un ánodo,
un cátodo y electrolitos. Sin embargo, siendo la oxidación
del hidrógeno igual para todos los tipos de celdas de combustible,
los materiales usados en éstas son muy variados.
La reacción producida da lugar a la formación de electricidad,
calor y agua.
Esto se logra alimentando el hidrógeno en el ánodo
de la celda y el oxigeno en el cátodo, los cuales están
separados por una membrana electrolítica. |
| La reacción se produce dentro
de la celda misma.
La producción de agua toma lugar en distintas partes de la
celda dependiendo del electrolito utilizado.
El hidrógeno fluye hacia el ánodo de la celda, donde
una cubierta de platino ayuda a quitar los electrones a los átomos
de hidrógeno dejándolo ionizado, o sea, en forma de
protones ( H+). La membrana electrolítica permite el paso
solo de los protones hacia el cátodo. |
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| Debido a que los electrones
no pueden pasar a través de la membrana, se ven forzados
a salir del ánodo por un circuito externo como forma de corriente
eléctrica, ésta es la corriente eléctrica que
se utiliza para hacer funcionar los artefactos.
Luego, a medida que el cátodo deja fluir a través
de él al oxígeno, éste se combina con los protones
y los electrones anteriormente citados para formar agua. Como esta
reacción naturalmente está desplazada hacia la formación
de agua, cuando se produce, se libera energía en forma de
calor. Esta una reacción positiva y por lo tanto exotérmica.
El proceso químico que se lleva a cabo es el siguiente:
Ánodo: 2H2 4H+ + 4e-
Cátodo: 4e- + 4H+ + O2 2H2O
Reacción completa: 2H2 + O2 2H2O
Esta operación se puede hacer de manera contínua
si los suministros de componentes se hacen en forma constante y
a un régimen de flujo estable.
En este tipo de operación, al hacerse en forma isotérmica,
las limitaciones termodinámica para el rendimiento no existen
(Ciclo de Carnot). |
| Tipos de celdas de
combustible
» Ácido Fosfórico (PAFC)
Temperatura de operación: ~ 220 °C Este es el tipo de
celda de combustible más desarrollado a nivel comercial y
ya se encuentra en uso en aplicaciones tan diversas como clínicas,
hospitales, hoteles, edificios de oficinas, escuelas, plantas eléctricas
y una terminal aeroportuaria. Las celdas de combustible de ácido
fosfórico generan electricidad a mas del 40% de eficiencia
- y cerca del 85% si el vapor que ésta produce es empleado
en cogeneración - comparado con el 30% de la más eficiente
máquina de combustión interna. Este tipo de celdas
puede ser usado en vehículos grandes como autobuses y locomotoras.
Existen en producción comercial unidades de alrededor de
200kw.
» Polímero Sólido(PEM)
Temperatura de operación: 50 - 100 °C Tienen una densidad
de potencia alta, pueden variar su salida para satisfacer cambios
en la demanda de potencia y son adecuadas para aplicaciones donde
se requiere una demanda inicial de energía bastante importante,
tal como en el caso de automóviles, de acuerdo con el Departamento
de Energía de los Estados Unidos, "son los principales
candidatos para vehículos ligeros, edificios y potencialmente
otras aplicaciones mucho más pequeñas tales como baterías
recargables para videocámaras por ejemplo.
» Carbonato Fundido(MCFC)
Temperatura de operación: ~ 600 °C Las celdas de combustible
de carbonato fundido prometen altas eficiencias combustible-electricidad
y la habilidad para consumir combustibles a base de carbón.
En este tipo de celdas es aprovechada la electricidad y el calor
generado.
» Oxido Sólido(SOFC)
Temperatura de operación: 500 - 1000 °C Es una celda
de combustible altamente prometedora, podría ser utilizada
en aplicaciones grandes de alta potencia incluyendo estaciones de
generación de energía eléctrica a gran escala
e industrial. Algunas organizaciones que desarrollan este tipo de
celdas de combustible también prevén el uso de éstas
en vehículos motores. Las unidades que se abrigan van desde
25 hasta 100kw de potencia. Un sistema de óxido sólido
normalmente utiliza un material duro cerámico en lugar de
un electrolito liquido permitiendo que la temperatura de operación
sea muy elevada. Las eficiencias de generación de potencia
pueden alcanzar un 60%.
» Alcalinas
Temperatura de operación: 50 - 250 °C Utilizadas desde
hace mucho tiempo por la NASA en misiones espaciales, este tipo
de celdas pueden alcanzar eficiencias de generación eléctrica
de hasta un 70%. Estas celdas utilizan hidróxido de potasio
como electrolito. Hasta hace poco tiempo eran demasiado costosas
para aplicaciones comerciales pero varias compañías
están examinando la forma de reducir los costos y mejorar
la flexibilidad en su operación. |
| Producción de
hidrógeno
El hidrógeno a ser utilizado en las celdas de combustible
puede obtenerse a partir de varias formas, utilizando diversos equipamientos
y combustibles.
» Producción de hidrógeno a partir de energía
solar.
En el ciclo del hidrógeno solar la electricidad producida
por los módulos solares opera un equipo de electrólisis
que divide el agua en sus dos componentes elementales, hidrógeno
(H2) y oxígeno (O2). El oxígeno se libera al aire
y el hidrógeno se bombea a los tanques, donde es almacenado
en el lugar de producción.
» Producción de hidrógeno a partir de metano
(CH4).
Cuando la cantidad de energía requerida es importante, como
por ejemplo para abastecer una industria, edificios, etc, lo mas
conveniente es adoptar un sistema alimentado a gas natural o metano.
Este sistema se basa en la oxidación del metano produciendo
dióxido de carbono e hidrógeno, el cual pasa a alimentar
las celdas de combustible. Generalmente las celdas de combustible
tienen una eficiencia del 40%, por otro lado un procesador de combustible
tiene una eficiencia de aproximadamente el 80%. Por lo tanto la
eficiencia total del sistema "procesador + celda de combustible"
es de alrededor del 30%.
La producción de hidrógeno a partir de metano se basa
en la siguiente reacción química:
CH4 + H2O CO + 3H2
CO + H2O CO2 + H2
CH4 + 2H2O 4H2 + CO2 |
| Conclusiones
Varias son las características que hacen que las celdas
de combustible se consideren una de las formas alternativas más
ventajosas para la obtención de energía.
Sus altas eficiencias rozan el 80% cuando además de electricidad
se recupera calor. Este valor supera ampliamente las eficiencias
de otros sistemas convencionales. |
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| Además, la energía
producida es 100% limpia, ya que el único producto que se
obtiene es agua o vapor de agua dependiendo de la temperatura de
operación del dispositivo.
Otra de sus ventajas es que pueden conectarse en paralelo para
suplir cualquier requerimiento energético. Las celdas de
combustible adosadas a un procesador permiten obtener energía
a partir de combustibles corrientes como alcoholes, gas natural
y combustibles de origen fósil, así como también
a partir de biomasa o de la fracción orgánica recuperada
de residuos sólidos domiciliarios.
De todas formas, el combustible mas conveniente termina siendo el
hidrógeno, ya que es el que más energía entrega
por unidad de masa (141 mJ/Kg). Además, el hidrógeno
puede obtenerse fácilmente por electrólisis del agua.
Estos equipos de electrólisis se pueden alimentar de energía
eléctrica obtenida por paneles fotovoltáicos o aerogeneradores.
La Patagonia Argentina es muy apta para el emplazamiento de estos
últimos con ese fin.
El aspecto económico también es de gran relevancia,
los precios de las celdas de combustible no son altos cuando se
los compara con los gastos anuales de electricidad y gas natural,
con lo que su compra se amortiza en pocos meses. Con respecto a
los costos de mantenimiento, éstos se consideran mínimos
o casi nulos.
Además de todo esto, no debe dejarse de lado la importancia
de la independencia energética que brinda la instalación
y uso de celdas de combustible.
Por último, cabe aclarar que las celdas de combustible prometen
seguir mejorando en todos sus aspectos y ampliar cada vez más
el mercado, así lo demuestran las estadísticas.
Fuente: Melina Gabriela Dallo - Estudiante de 5°
año de Ingeniería en Ecología en la Universidad
de Flores
Julio 2002
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