Pilas De Combustible

Indice
1.
Introducción
2. Elementos primarios, secundarios y
pilas de combustible
3. Los electrodos
porosos
4. Velocidad De Reacción Y
Temperatura
5. Electrólitos y
catalizadores
6. Tipos de pilas de
combustible
7. Fuentes consultadas

1.
Introducción

Se trata de ofrecer una visión general sobre las
pilas de
combustible y presentar al mismo tiempo, algunas
definiciones y conceptos básicos de los sectores de la
electroquímica y de la termodinámica, tal como ocurre en los
acumuladores de plomo y en las pilas de
cinc-carbono que
son conocidos desde hace más de un siglo y se utilizan
habitualmente, en las pilas de combustible tienen lugar
fenómenos de transporte de
partículas cargadas.
El principio de las pilas de combustible fue descubierto en el
año 1839 por el juez galés y científico Sir
William Grove y desarrollado en el año 1894 por el
químico alemán Wilhelm Ostwald (1853-1932). Sin
embargo, ha sido en las últimas décadas cuando las
pilas de combustible han vuelto a ser un tema de interés.
En la investigación espacial han de emplearse
pilas de este tipo para abastecer de energía
eléctrica las naves espaciales y los satélites.
Las pilas de combustible superaron con éxito
sus primeras pruebas
importantes en los EE.UU. con ocasión del proyecto
Géminis y de los vuelos tripulados a la Luna en el marco
del programa
Apolo.
Estas pruebas
resultaron muy útiles con vistas a desarrollar las
múltiples aplicaciones de la transformación directa
de la energía sobre la Tierra.
La intención es lograr que el lector esté en
condiciones de comprender la transformación directa de la
energía en las pilas de combustible, los procesos que
tienen lugar en los electrodos de explicar la formación de
la interfase ternaria en un electrodo poroso y la constitución de distintas pilas de
combustible.
Si existe alguna dificultad para la interpretación de los
símbolos o términos técnicos se puede
consultar el apéndice. En él están reunidos
y explicados los símbolos y los términos
técnicos más importantes que aparecen en este
texto.

Transformación De Energía
Cuando un combustible se quema en atmósfera de aire, la fuerza que
impulsa esta reacción química es la
afinidad, es decir, la tendencia que presenta el combustible a
reaccionar con el oxígeno. En una combustión normal, la energía
resultante de la oxidación del combustible se libera en
forma de calor.
COMBUSTIBLE + OXÍGENO Þ PRODUCTOS DE
OXIDACIÓN + CALOR
Este proceso se
emplea también para la "generación de
energía" en las centrales térmicas en las que, a
través de la producción de vapor, se obtiene
energía mecánica que luego se transforma en
energía
eléctrica (figura 1). Sin embargo, es también
posible conseguir que esta reacción siga un camino directo
de forma que, como consecuencia de la transformación de la
energía, se libere inmediatamente energía
eléctrica. El dispositivo que permite llevar a cabo este
proceso se
denomina "pila de combustible".
Por pila de combustible se entiende un dispositivo
electroquímico que permite transformar directamente la
energía química resultante de
una reacción de oxidación de un combustible en
energía eléctrica sin tener que convertirla primero
en energía térmica. En las pilas de combustible,
los reactivos (combustible y agente oxidante) se conducen a los
electrodos de forma continua.
En un proceso térmico la energía química se
transforma en energía eléctrica después de
convertirse sucesivamente en energía térmica y
mecánica:

Figura 1

En una pila de combustible se produce un proceso
electroquímico directo

2. Elementos primarios,
secundarios y pilas de combustible

Los elementos galvánicos primarios o pilas y los
secundarios o acumuladores se diferencian de las pilas de
combustible en que los reactivos vienen prescriptos por lo
electrodos elegidos, por lo que su cantidad y su potencial quedan
limitadas. En los acumuladores los productos
generados durante la descarga pueden convertirse de nuevo en las
sustancias iniciales mediante una electrólisis posterior. En las pilas
primarias esto no resulta posible, ya que los procesos
químicos que se desarrollan durante la generación
de energía eléctrica son, en gran medida,
irreversibles (figura 2).
La pila de combustible puede suministrar energía mientras
se alimenta con combustible y oxígeno. La tensión
de salida de la pila es relativamente pequeña, pero la
intensidad de la corriente y el rendimiento son
favorables.

Reacción En La Pila De Combustible
Desde el punto de vista físico, una pila de combustible
consta de dos electrodos separados por un electrolito. El
combustible, por ejemplo, el hidrógeno, es conducido de
forma continua a uno de estos electrodos -el ánodo-. Como
electrolito sólo pueden emplearse conductores
iónicos tales como bases, ácidos y
sales.
A continuación se explica con más detalle el
funcionamiento de una pila de combustible mediante el ejemplo de
una célula
hidrógeno-oxígeno con electrolito alcalino (figura
3). En la pila se oxida el combustible (el hidrógeno) de
acuerdo con la siguiente reacción:
2H2 + O2 ® 2H2O
Esta reacción neta produciría una explosión
si se mezclaran ambos reactivos y se calentaran o en presencia de
una chispa, por lo que la pila de combustible
H2-O2 se conoce también con el
nombre de "pila de gas detonante".
En tal caso, la totalidad de la energía de reacción
se disiparía en forma de calor. En la
pila de combustible esta reacción exotérmica, que
genera una gran cantidad de calor, es reversible. La
reacción se regula para que se desarrolle de forma lenta y
controlada sin que prácticamente se ceda calor.

Reacciones En Ánodo Y Cátodo
El proceso reversible correspondiente a la reacción
neta:
2H2 + O2 ® 2H2O
se subdivide en dos reacciones parciales.
La figura 4 muestra la
constitución esquemática y el
funcionamiento de una pila de combustible
H2-O2.
1.En el material catalíticamente activo, que constituye
uno de los electrodos —el ánodo—, se oxida el
hidrógeno cediendo electrones. Estos electrones circulan
por el circuito externo hacia el cátodo, desarrollando
trabajo.
H2 ®
2H
2H + 2OH- ® 2H2O + 2e-
reacción anódica
2.En el cátodo, situado a una cierta distancia, se reduce
el oxígeno con incorporación de los electrones
cedidos por el ánodo.
O2 + 2H2O + 4e-
®
4OH– reacción catódica
El electrolito, en este caso una solución concentrada de
potasa cáustica (KOH), transporta las cargas, es decir,
los iones hidroxilo negativos (iones OH—)
formados en el electrodo de oxígeno, hacia el ánodo
por el interior de la pila. Conectando el ánodo con el
cátodo, a través de una resistencia
externa o de carga, la pila suministra energía
eléctrica (U . I . t).

3. Los electrodos
porosos

Los electrodos empleados en las pilas de combustible
hidrógeno-oxígeno son del tipo poroso de
difusión gaseosa. De esta forma puede establecerse un buen
contacto entre las tres fases que participan en la
reacción. En estos puntos se forma la interfase ternaria a
través de la que entran en contacto el gas de
reacción, el electrodo y el electrolito. En una parte de
los poros se alcanza el equilibrio
entre la fuerza capilar
y la presión
del gas (figura 5a). En ellos tiene lugar la reacción en
la que se generan la corriente y la tensión. Por tanto, en
un electrodo poroso sólo contribuyen a la
generación de energía eléctrica aquellos
poros en los que la presión
capilar y la presión del gas se equilibran (poros en
equilibrio).
Los poros demasiado estrechos se llenan totalmente de electrolito
por efecto de la presión capilar, por lo que en ellos no
puede tener lugar la reacción. En los poros demasiado
anchos, el gas circula libremente sin llegar a reaccionar.
Para conseguir la transformación más completa
posible del gas, los electrodos porosos (según Bacon) se
construyen con una estructura de
doble capa; la capa de cubierta, dotada de poros finos, se
dispone por el lado del electrolito y la capa activa, con poros
gruesos, queda en el lado del gas (figura 5b).
Electrodo poroso con un poro en equilibrio, uno demasiado
estrecho y otro excesivamente ancho.
Electrodo de doble capa con la interface ternaria – la zona
de reaccion – en la que se generan la corriente y la
tensión

Tensión De Salida
La tensión de salida de la pila depende de forma decisiva
de la afinidad A, es decir, de la tendencia que presentan ambos
reactivos a reaccionar entre sí. A temperatura
constante (proceso isotérmico) y bajo condiciones
reversibles a presión constante, la oxidación del
combustible, por ejemplo, del hidrógeno, se desarrolla
aprovechando al máximo la entalpía libre de
reacción ΔG, es decir, el trabajo de
reacción correspondiente al proceso generador de
energía eléctrica.
A = — ΔG (menos delta G)
Esta magnitud está relacionada termodinámicamente
con la entalpía de reacción ΔH y la entropía de reacción
ΔS de acuerdo con la ecuaciσn:
ΔG = ΔH — T . ΔS
ΔG = — n . F . E
n número de
equivalentes electroquímicos
F constante de Faraday: 96487 A s moL-1 o J
moL-1 . V-1
E fuerza electromotriz
T temperatura
absoluta en K (Kelvin)
El signo menos es convencional. Se evalúa el intercambio
de energía visto desde el sistema ΔG
es negativo cuando la reacción conduce a un estado final
de menor energía.
En esta ecuación E representa la fuerza
electromotriz y — T. ΔS la ganancia o la
pιrdida de energνa que resulta al calentar o
al enfriar la pila. Como la fuerza electromotriz E = — U
coincide, salvo en el signo, con la tensión de salida de
la pila sin carga, la tensión U teórica
correspondiente a la oxidación del hidrógeno en un
proceso reversible e isotérmico puede calcularse de
acuerdo con la expresión:

en caso de que se forme agua en
estado
líquido como producto
final. La tensión de salida de la pila es, por tanto, del
orden de 1 V.

Rendimiento Termodinámico
En un principio se indicó que la energía
química acumulada, por ejemplo, en el carbono, se
transforma primero totalmente en calor en las centrales
térmicas de acuerdo con la reacción de
combustión
C + O2 = CO2 + ΔH
(ΔH: entalpνa de reacciσn).
Este
calor se convierte después en energía
mecánica y finalmente en energía eléctrica.
Según el segundo principio de la termodinámica sólo una
fracción, caracterizada por el "rendimiento del ciclo de
Carnot" h
(Carnot), de la energía resultante del movimiento
desordenado de las moléculas, es decir, del calor, puede
convertirse en energía mecánica o en trabajo. Se
cumple:

T Temperatura absoluta en K (Kelvin)
Si, por ejemplo, la temperatura del vapor en la caldera es
T2 = 600 K y la temperatura del vapor de escape de la
turbina es T1 = 360 K, el rendimiento
termodinámico h
(Carnot) es. como máximo, del 40%.

El rendimiento de las centrales térmicas
altamente desarrolladas se aproxima a este valor. Por el
contrario, la subsiguiente transformación de la
energía mecánica en eléctrica se produce
casi sin pérdidas.

Rendimiento Termodinámico En La Pila De
Combustible
El rendimiento termodinámico que puede alcanzarse en una
pila de combustible es, en condiciones favorables,
considerablemente mayor.

Si, como resultado de la reacción entre el
hidrógeno y el oxígeno, se obtiene agua en estado
líquido como producto
final, el rendimiento termodinámico llega a ser del 83%.
Los valores de
ΔG y ΔH se expresan en J
mol-1.

Si el producto de la reacción, es decir, el agua,
está en forma de vapor, el rendimiento
termodinámico alcanza el 94,5%.

Cuando el carbono C se oxida para dar
monóxido de carbono CO, el rendimiento
termodinámico puede llegar a ser incluso del 124%; la
energía adicional necesaria se toma del ambiente en
forma de calor y se cede como energía
eléctrica.

Toma O Cesión De Calor
ΔG y
ΔH son siempre negativas en las reacciones que se utilizan,
en general, para generar energía. El
rendimiento termodinámico está influido por
ΔS de la forma siguiente:
Cuando ΔS
> 0 aumenta la entropνa (grado de desorden) y el
rendimiento termodinαmico h term es mayor que 1.
La pila produce, en este caso, más energía
eléctrica que la equivalente a la energía
térmica resultante de la reacción correspondiente.
En una pila que opere de forma isotérmica, la
energía adicional necesaria T. ΔS se toma del
ambiente en
forma de calor. Por ejemplo, en la
reacciσn
2 C + O2
Þ 2 CO,
así se tiene h
term = 124%.
Cuando ΔS =
0, el rendimiento es del 100%. En esta reacciσn no se toma
ni se cede calor. La tensiσn de salida de la
pila no varía con la temperatura. Este es, por ejemplo, el
caso de la reacción
C + O2 Þ CO2, en la que
h term =
100,2%.
Cuando ΔS < 0, se cumple
h term <
1. Entonces la pila genera, además de la energía
eléctrica, la cantidad de calor —T . ΔS.
Durante la reacción debe extraerse el calor producido en
la pila. En caso contrario, aumentaría la temperatura en
ella y caería su tensión de salida. Este es, por
ejemplo. el caso de la reacción.
2 CO + O2 Þ 2CO2, en la que se
tiene h
term = 90,8%.

4. Velocidad De
Reacción Y Temperatura

El rendimiento termodinámico de una pila de
combustible es mayor o menor que el 100%, dependiendo de si la
tensión de salida U de la pila aumenta o disminuye con la
temperatura. ΔG puede determinarse a partir de datos
calorimétricos para una temperatura determinada. Incluso
bajo condiciones de reacción isotérmicas y
reversibles no puede convertirse la totalidad de la
energía térmica en energía eléctrica,
pues siempre se produce una pequeña pérdida de
calor. Por ello conviene operar con las pilas de combustible
hidrógeno-oxígeno a una temperatura reducida para
obtener una tensión elevada y un alto rendimiento.
Sin embargo, para alcanzar densidades de corriente favorables hay
que operar con pilas de combustible a una temperatura elevada,
pues la velocidad de
las reacciones que se producen en los electrodos aumenta con la
temperatura. Se rata de problemas de
cinética de reacciones que determinan la densidad de
corriente y, con ella, el rendimiento efectivo. Además,
el agua
obtenida como producto de reacción en las pilas de
combustible H2-O2 puede evacuarse de ellas
más fácilmente a temperaturas elevadas, por
ejemplo, por evaporación.

Electrodo De Hidrógeno
Las
tensiones de salida de las pilas calculadas a partir de los
valores de
ΔG no coinciden, a menudo, con los valores
determinados experimentalmente. La causa de ello
radica en el desarrollo
incompleto de la reacción principal o en las reacciones
secundarias que no pueden tenerse en cuenta al calcular dicha
tensión de salida. En el electrodo de hidrógeno se
establece con facilidad el potencial reversible del
hidrógeno. Uno de los requisitos esenciales que debe
cumplir el material de dicho electrodo es su capacidad de
disociar la molécula de hidrógeno, es decir, de
dividirla en dos átomos H. Para ello se emplean
catalizadores. Las reacciones que se desarrollan en los "puntos
catalíticamente activos" del
electrodo pueden representarse de la forma siguiente:
H2 Þ
2H(adsorbido)
2H(adsorbido) +
2OH- Þ 2H2O + 2
e-

Con electrólitos alcalinos se han acreditado,
como catalizadores para el electrodo de hidrógeno, los
metales nobles
finamente divididos (negro de platino) y catalizadores de Raney
correspondientes al grupo del
hierro y del
platino. Con electrólitos ácidos se
han empleado últimamente como catalizadores además
de los metales nobles de
alto precio, el
carburo de volframio, el fosfuro de cobalto (CoP3) o
el disulfuro de molibdeno.

Electrodos De Oxígeno
El potencial se establece bastante más lentamente en el
electrodo de oxígeno que en el de hidrógeno.
Resulta mucho más difícil reproducirlo y, en
general, es de 100 a 150 mV menor que el potencial teórico
del oxígeno.
Puede suponerse que en el electrodo de oxígeno se
desarrolla, para un electrolito alcalino, la siguiente
reacción neta:
O2 + 2H2O + 4e-
Û
4OH-
Sin embargo, en realidad la
reacción tiene lugar de forma bastante más
complicada. Se ha determinado (por Berl) que esto es debido a
que, en el electrodo de oxígeno, se forman también
iones de peróxido de hidrógeno que afectan
considerablemente al potencial. Por ello, se cumple:
O2(adsorbido) + H2O + 2e-
Û OH-
+ HO2-

La disminución de la concentración de
peróxido es uno de los requisitos esenciales para que los
electrodos de oxígeno
funcionen correctamente. Además de por la plata y el
platino, la disociación del peróxido es catalizada
también por espinelas tales como los compuestos
CoAl2O4 o FeMnAg, incorporados en carbones
de alta actividad. De esta forma, la reacción electroquímica queda sustituida por la
disociación catalítica en el mecanismo de
reacción.
Los iones HO- formados se disocian dando
oxígeno e iones
OH-
2HO2- Û O2 +
2OH-

Rendimiento de tensión y sobretensión
Como ya se ha indicado, el electrodo de oxígeno no trabaja
de forma totalmente reversible. Por ello, una pila de combustible
hidrógeno-oxígeno suministra una tensión en
vacío o reposo U0 que difiere de la
tensión Ut, calculada
termodinámicamente. La divergencia, tanto respecto a la
tensión teórica Ut, como a la de reposo
U0 que se observa al aplicar una carga a la pila se
designa como sobretensión o polarización.
El rendimiento electroquímico o rendimiento de
tensión h
u se deriva de la tensión de servicio
Ua que depende de la carga de la pila y de la
tensión teórica Ut o
ΔG. Si, por ejemplo, la tensiσn de servicio de
una pila de combustible
hidrσgeno-oxígeno es
Ua= 1,15 V y su tensión teórica
Ut = 1,23 V, se tiene h u =
93,5%.

Uno de los problemas
principales que resultan al diseñar pilas de combustible
es precisamente reducir al mínimo esta
sobretensión, lo que puede conseguirse, en parte,
empleando catalizadores adecuados. La sobretensión o
polarización está representada en la figura 6 en la
que se ha indicado la tensión en función de
la corriente.

Medición de sobretensión de un electrodo
suelto
Para medir la polarización o sobretensión de un
electrodo suelto puede emplearse el montaje con una semipila
representado en la figura 7. Se hace circular una corriente entre
el electrodo de trabajo A y el contraelectrodo C y se observa el
potencial con ayuda de un electrodo de referencia B. Con el fin
de eliminar al máximo la caída de tensión en
el electrolito se utiliza, para medir los potenciales, un capilar
de Haber-Luggin D en el que se ha introducido el citado electrodo
de referencia B.
Como electrodo de referencia puede emplearse, al igual que para
medir los potenciales de la serie electromotriz, un electrodo
normalizado de hidrógeno o un "electrodo de segunda clase"
como, por ejemplo, uno de calomelano.
La sobretensión o polarización es función de
la densidad de
corriente i

5. Electrólitos y
catalizadores

Si se desea reducir al máximo la resistencia
interna de la pila, habrá que utilizar un electrolito con
una conductividad específica elevada. Además, el
espesor de la capa de electrolito debe ser lo menor posible. Las
bases, los ácidos y las sales fundidas constituyen, por
ejemplo, electrolitos de buena conductividad. Los
hidróxidos alcalinos se distinguen por su gran estabilidad
y su muy buena conductividad. Permiten utilizar electrodos
compuestos por metales relativamente poco nobles, ya que la
tendencia a la corrosión de los metales en, por ejemplo,
una solución de potasa cáustica es muy reducida.
Las dificultades aparecen si se desea utilizar un electrolito
ácido, pues exceptuando los metales nobles de alto
precio, hay
pocas sustancias que puedan emplearse como catalizadores o para
fabricar las distintas piezas. Como catalizadores para la
oxidación del combustible se están ensayando
actualmente el carburo de volframio, el fosfuro de cobalto
(CoP3) y el disulfuro de molibdeno. Para la
reducción del oxígeno se utilizan ftalocianinas
polimerizadas sobre estructuras de
carbón y carbones activados. En medio ácido, la
reducción del oxígeno se desarrolla con
incorporación de cuatro electrones de acuerdo con la
ecuación:
O2 + 4H+ +4e- Þ 2H2O

Algunos Electrodos Empleados
Las pilas de combustible hidrógeno-oxígeno son las
que han alcanzado mayor grado de desarrollo,
pues las reacciones del hidrógeno con el oxígeno
son las han sido estudiadas con más detalle. Las ventajas
de las "pilas de gas detonante", como también se las
llama, radican en la elevada reactividad que caracteriza a estas
sustancias y en que como resultado de la reacción se
obtiene agua, que es fácilmente evacuable.
Sin embargo, el hidrógeno es un combustible caro que
sólo puede almacenarse difícilmente, por ejemplo,
en estado líquido.
En Alemania R.F.
se desarrolló un tipo de electrodos para electrolitos
alcalinos, que se conoce con el nombre de electrodo con
catalizador doble esqueleto y está formado por
níquel de Raney o por plata de Raney con
níquel-carbonilo. Disolviendo el aluminio
incorporado en la aleación, se obtiene un electrodo con
una estructura de
níquel o plata muy desordenada que presenta una actividad
excelente.
En Siemens se desarrollaron electrodos no aglomerados (electrodos
soportados) de gran superficie formados por catalizadores de
Raney no sinterizados de alta actividad y por una capa porosa de
asbesto impregnada de electrolito. Estos electrodos pueden ser
muy delgados y trabajar con presiones de gas relativamente
pequeñas.

Interfase Binaria
Los electrodos con interfase binaria (figura 9a) pueden
reaccionar con combustibles o agentes oxidantes líquidos
disueltos directamente en el electrolito. La reacción se
produce entonces en la interfase formada por el material
catalizador del electrodo y el electrolito que incluye en
disolución
El combustible o el agente oxidante. Este procedimiento se
utiliza también para la oxidación de los alcoholes, las
hidracinas y el peróxido de hidrógeno.
Entre los electrodos que presentan una interfase binaria figuran
también los metálicos no porosos como, por ejemplo,
los de lámina de Pd o Pd-Ag. En la figura 9b se representa
la constitución esquemática de un electrodo no
poroso de difusión. El hidrógeno sólo llega
al electrolito por difusión. Se difunde a nivel
atómico a través de la estructura del metal y
reacciona, tras ser ionizado. con los iones OH-.
H2 Þ
2H+ + 2e-
H+ +
OH- Þ
H2O + 2e-
Como no es preciso que
se establezca una interfase ternaria, es posible elegir
libremente la presión y la composición
química de los gases

6. Tipos de pilas de
combustible

Es dificil hoy en día determinar cual es la mejor
pila de combustible. El estudio realizado por Arthur D. Little
Inc. Expresa que no existe una pila de combustible que eclipse a
las otras. Este resultado es esencialmente debido a que el
mercado para las
celdas de combustible es muy variado, yendo de estaciones
generadoras de gran tamaño hasta automóviles. Cada
segmento de este mercado puede ser
satisfecho con una variada mezclas de
tecnologias. No obstante se intenta dar un panorama de los tipos
mas comunes.

Pila De Acido Fosfórico (Pafc)
Este es el tipo de pila mas desarrollado a nivel comercial. Estas
pilas de ácido fosfórico
(H3PO4), generan electricidad a
mas del 40% de eficiencia y
cerca del 85 % si el vapor producido es empleado en
cogeneración, comparado con el 30% de la mas eficiente
máquina de combustión interna este es un rendimiento
mas que óptimo.
Las temperaturas de operación se encuentran entre los 180
a 210 °C. Su uso es muy apropiado para generación
estacionaria o móvil de gran dimensión como
camiones, embarcaciones o trenes.
Existen en producción comercial unidades de alrededor
de 200 kW. Cuenta con la desventajas de requerir metales nobles
en el catalizador. Utiliza H2 como combustible y
tolera el CO2.
Pila De Polimero Solido O Membrana De Intercambio
Protónico (Pem)
Estas celdas operan a relativamente bajas temperaturas, alrededor
de los 95 °C, tienen una densidad de potencia alta,
pueden variar su potencia de
salida rápidamente para satisfacer cambios en la demanda de
potencia y son adecuadas para aplicaciones donde se requiere una
demanda
inicial rápida, tal como el caso de los
automóviles. De acuerdo con el Departamento de
Energía de EE.UU., son las principales candidatas para
vehículos ligeros, edificios y potencialmente para otras
aplicaciones mucho mas pequeñas como las baterías
recargables de las videocámaras.

Pila de carbonato fundido (mcfcs).
Las pilas de combustible de carbonato fundido
(Li2CO3 – K2CO3
– Na2CO3) prometen altas eficiencias
combustible-electricidad y la
habilidad para consumir combustibles base carbono (CO Y
H2). Esta celda opera a temperaturas del orden de los
600 a 700°C, lo que hace que sea aprovechado altamente el
calor.
Estas pilas pueden operar desde el 25% al 125% de la capacidad
nominal de la planta. Según los datos del
plan
preliminares (EPRI, 1992), una planta de 2MW de potencia de
carbonato fundido tendrá una superficie de 511 m²
(5,500 ft²) y puede instalarse al aire libre o
interior. Las pilas de combustible de carbonato fundido necesitan
más de 16 horas para alcanzar el rendimiento óptimo
desde su estando en frío. Si se mantuvo en estado de
espera, tomará aproximadamente un minuto alcanzar el pleno
rendimiento..
Otra de las ventajas es que no requiere metales nobles y utiliza
el CO como combustible.

La primera pila de carbonato fundido a gran escala ha sido ya
probada y algunas unidades para demostración están
siendo terminadas.

Pila de óxido sólido (sofc).
Otra pila de combustible altamente prometedora, la pila de
combustible de óxido sólido (ZrO2)85(CaO)15,
podría ser usada 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 estas en vehículos motores. Una
prueba de 100 KW está siendo terminada en Europa mientras
que dos pequeñas unidades de 25 KW se encuentran ya en
línea en Japón.
Un sistema de
óxido sólido normalmente utiliza un material duro
cerámico en lugar de un electrólito líquido
permitiendo que la temperatura de operación alcance los
1.000 °C a presiones atmosféricas. Las eficiencias de
generación de potencia puede alcanzar un 60% si bien las
altas temperaturas originan problemas serios en los materiales que
conforman las pilas, también las hacen muy atractivas para
la cogeneración, haciendo que su rendimiento sea muy
superior. El combustible que utiliza es H2 y
CO2.
La conversión directa de hidrocarburos
en energía eléctrica en instalaciones estacionarias
de gran potencia ofrece ventajas considerables. Las altas
temperaturas permiten que las reacciones que tienen lugar en los
electrodos, inhibidas en parte cinéticamente por las
temperaturas reducidas, se desarrollen a mayor velocidad.
Además, a altas temperaturas, disminuye considerablemente
la propensión al envenenamiento de los catalizadores. A
temperaturas de 550°C a 750°C se trabaja con
electrólitos formados por carbonatos fundidos.
A temperaturas comprendidas entre 800°C y 1000°C se
utilizan electrólitos sólidos de dióxido de
circonio-óxido de calcio, pues éstos presentan una
buena conductividad iónica a temperaturas
elevadas.

Pilas Alcalinas (Afc)
Estas pilas son utilizadas desde hace mucho tiempo por la
NASA en misiones espaciales, este tipo de pilas puede alcanzar
eficiencias de generación eléctrica de hasta el
70%. Los electrolitos mas usados son el hidróxido de
potasio (KOH) y el hidróxido de sodio (NaOH). Hasta hace
no mucho tiempo eran muy costosas para aplicaciones comerciales,
pero el desarrollo que han tenido por parte de varias
compañías, tienden a reducir costos y mejorar
la flexibilidad de su operación.
Para el proyecto Geminis
se desarrolló una batería
H2-02 de 1 kW con membranas
intercambjadoras de iones. Como electrólito se
utilizó una membrana intercambiadora de cationes formada
por un macropolímero sulfonado. Los electrodos constaban
de unas redes finas de
alambre con catalizadores incorporados de metal noble y
presionaban por ambos lados contra la membrana. La corriente era
transportada en la membrana por iones positivos H+. El
agua formada como producto de la reacción era absorbida,
en parte, por la membrana y evacuada del cátodo a
través de un sistema de drenaje por mecha. Podía
ser utilizada como agua potable por los astronautas.
En el campo de las pilas de combustible de media temperatura, el
desarrollo de los electrodos y de las baterías fue
impulsado decisivamente por los innovadores trabajos de Bacon.
Este científico desarrolló una pila de combustible
hidrógeno-oxígeno con electrodos de doble capa
sintetizados de níquel-carbonilo. Los ánodos de
hidrógeno de estas pilas se impregnaban de sales de
níquel y se reducían, sometiéndolos a una
corriente de hidrógeno, hasta alcanzar la actividad
catalítica deseada. Los cátodos de oxígeno
se impregnaban con litio y se preoxidaban. Como resultado de ello
se obtenía un óxido de níquel semiconductor
que se. caracterizaba por una elevada actividad catalítica
y por una buena resistencia a la corrosión.

Este sistema se empleó también, de forma
modificada, en el proyecto Apolo.
Obtención De Tensión Elevada
El desarrollo de un buen electrodo es sólo un
pequeño paso en el camino que conduce a una pila de
combustible independiente. Los problemas aumentan todavía
cuando se pasa de una pila independiente a una batería con
su complejo sistema de gestión
del agua, de control de la
temperatura y de evacuación de los gases inertes.
En los electrodos porosos no se transforman gases como,
por ejemplo, el nitrógeno o los gases nobles, por lo que
éstos deben eliminarse periódicamente.
Uno de los inconvenientes de las pilas de combustible es que
sólo pueden suministrar una tensión pequeña,
de aproximadamente 1 V, y una corriente cuya intensidad depende
del tamaño de los electrodos y de la calidad de los
catalizadores. Sin embargo, actualmente ya se alcanzan densidades
de corriente de 250 a 400 mA/cm con electrodos no aglomerados
obtenidos por sedimentación
Para alcanzar una tensión elevada deben conectarse las
pilas en serie y a fin de aumentar la intensidad de la corriente
han de conectarse en paralelo, tal como está representado
en las figuras 13a y 13b.

7. Fuentes
consultadas

Constitución y funcionamiento de las pilas de
combustible, erhard weidlich, siemens atiengesellschaft,
berlín y munich & marcombo s.a.
Enciclopedia encarta 2001,
Manual de
fòrmulas técnicas,
kurt Gieck, Alfaomega

Autor:

Ing Eduardo H. D’Elía
Master en Evaluación
de Impactos Ambientales