Una pila de combustible es como una batería en el sentido de que genera electricidad a partir de una reacción electroquímica.
Una pila de combustible, utiliza un suministro externo de energía química y puede funcionar indefinidamente, siempre y cuando se le suministre una fuente de hidrógeno y una fuente de oxígeno (normalmente aire). La fuente de hidrógeno se denomina generalmente combustible y de ahí el nombre de la pila de combustible, aunque no hay combustión. En cambio, la oxidación del hidrógeno se produce electroquímicamente de forma muy eficiente. Durante la oxidación, los átomos de hidrógeno reaccionan con los átomos de oxígeno para formar agua; en el proceso, los electrones se liberan y fluyen a través de un circuito externo en forma de corriente eléctrica.
Las pilas de combustible pueden variar desde dispositivos diminutos que producen sólo unos pocos vatios de electricidad, hasta grandes centrales eléctricas que producen megavatios. Todas las pilas de combustible se basan en un diseño central que utiliza dos electrodos separados por un electrolito sólido o líquido que transporta partículas cargadas eléctricamente entre ellos. A menudo se utiliza un catalizador para acelerar las reacciones en los electrodos. Los tipos de pilas de combustible se clasifican generalmente según la naturaleza del electrolito que utilizan. Cada tipo requiere materiales y combustibles particulares y es adecuado para diferentes aplicaciones.
En el campo de la energía, la mayor parte del hidrógeno se utiliza a través de pilas de combustible (FC). Una pila de combustible es un dispositivo electroquímico que combina hidrógeno y oxígeno para producir electricidad, con agua y calor como subproductos. En su forma más sencilla, una pila de combustible consta de dos electrodos -un ánodo y un cátodo- con un electrolito entre ellos. En el ánodo, el hidrógeno reacciona con un catalizador, creando un ion con carga positiva y un electrón con carga negativa. El protón pasa entonces por el electrolito, mientras que el electrón viaja por un circuito, creando una corriente. En el cátodo, el oxígeno reacciona con el ion y el electrón, formando agua y calor útil.
Células de combustible de óxido sólido (SOFC)
Las SOFC utilizan un compuesto cerámico duro y no poroso como electrolito. Dado que el electrolito es sólido, las celdas no tienen que construirse con la configuración en forma de placa típica de otros tipos de celdas de combustible. Se espera que las SOFC tengan una eficiencia de entre el 50% y el 60% en la conversión de combustible en electricidad 15.
Funcionan a temperaturas muy altas, normalmente entre 500 y 1.000 °C. A estas temperaturas, las SOFC no requieren un costoso material catalizador de platino, como es necesario actualmente para las pilas de combustible de menor temperatura, como las PEMFC, y no son vulnerables al envenenamiento del catalizador por monóxido de carbono (desactivación por impurezas). Sin embargo, se ha observado ampliamente la vulnerabilidad al azufre, que debe ser eliminado antes de entrar en la célula mediante el uso de lechos adsorbentes u otros medios.
Las SOFC tienen una amplia variedad de aplicaciones que van desde las unidades de potencia auxiliar en vehículos hasta la generación de energía estacionaria, con potencias de 100 W a 2 MW. La mayor temperatura de funcionamiento convierte a las SOFC en candidatas idóneas para su uso con dispositivos de recuperación de energía de motores térmicos o de producción combinada de calor y electricidad, lo que aumenta aún más la eficiencia global del combustible.
Células de Combustible de Membrana de Intercambio de Protones (PEMFC)
Las Células de Combustible de Membrana de Intercambio de Protones, también conocidas como Células de Combustible de Electrolito Polimérico o PEMFC, proporcionan una alta densidad de potencia y tienen varias ventajas relacionadas con su bajo peso y volumen, en comparación con otras FCs 15 . Las PEMFC utilizan una membrana polimérica como electrolito y electrodos de carbono poroso que contienen un catalizador de platino. Este tipo de FCs sólo necesita hidrógeno, oxígeno del aire y agua para funcionar, y su operación no implica fluidos corrosivos como otras FCs. Suelen alimentarse con hidrógeno puro suministrado desde tanques de almacenamiento.
Funcionan a bajas temperaturas, en torno a los 80°C, y son adecuadas para aplicaciones de movilidad y otros usos que requieren una alta demanda inicial de energía, que es de alta densidad.
A día de hoy, las PEMFC no operan a altas temperaturas debido al deterioro de las membranas actuales, siendo una limitación para algunas aplicaciones de FC. Su funcionamiento a bajas temperaturas tiene una importante ventaja pero también tiene algunos inconvenientes. La principal ventaja es que la FC puede alcanzar rápidamente la temperatura de funcionamiento partiendo de la temperatura ambiente. El principal problema es que necesitan la presencia de un catalizador de platino para poder funcionar, lo que añade costes. Además, el catalizador de platino es también muy sensible al envenenamiento por CO, lo que obliga a utilizar un reactor adicional para reducir el CO en el gas combustible si el hidrógeno procede de un combustible de alcohol o hidrocarburo. Este paso encarece este tipo de FCs. Se están realizando esfuerzos de investigación para reducir o incluso suprimir el uso de platino y la cantidad de platino utilizada en los FC PEM ya ha disminuido de forma muy sustancial. Además, el catalizador de platino puede ser reciclado.
Hoy en día la pila de combustible PEM es la opción de consenso para la aplicación de transporte por carretera (coche, autobús, camiones, etc. ) PEM también se utilizan en algunas aplicaciones estacionarias.
Células de combustible alcalinas
Las células de combustible alcalinas (AFC) fueron una de las primeras tecnologías de FC desarrolladas, y fueron el primer tipo ampliamente utilizado en el programa espacial de EE.UU. para producir energía eléctrica y agua a bordo de las naves espaciales 13.
Estas FCs utilizan una solución de hidróxido de potasio en agua como electrolito, y pueden utilizar una variedad de metales no preciosos como catalizador en el ánodo y el cátodo. Los AFC de alta temperatura funcionan a temperaturas entre 100°C y 250°C. Sin embargo, los diseños de AFC más recientes funcionan a temperaturas más bajas, entre 23°C y 70°C aproximadamente. La eficiencia de una AFC alcalina que funciona con hidrógeno puro es del 60%.
Una de sus ventajas es que el agua producida es potable y actualmente son las pilas de combustible más baratas de fabricar 14 . La razón radica en los materiales relativamente baratos que se utilizan como catalizadores en sus electrodos, en comparación con los catalizadores como el platino necesarios para otros tipos de FCs.
Una de las limitaciones de las AFCs, es que son sensibles al dióxido de carbono (CO2) que puede estar presente en el combustible o en el aire. El CO 2 reacciona con el electrolito para formar un carbonato que puede disminuir la conductividad.
Actualmente, este tipo de FC se está probando para aplicaciones de energía estacionaria.
Células de combustible de metanol directo (DMFC)
Las DMFC se alimentan de metanol puro, que se mezcla con vapor y se alimenta directamente al ánodo de la célula de combustible. Su novedad es el combustible utilizado. El ánodo puede alimentarse con metanol líquido o vapores de metanol, mientras que el cátodo recibe aire. Las DMFC pertenecen a la familia de las FC de baja temperatura. Pueden considerarse una evolución de la PEMFC, ya que utilizan una membrana polimérica como electrolito. Sin embargo, el catalizador de platino-rutenio en el ánodo de la DMFC es capaz de extraer el hidrógeno del metanol líquido, eliminando la necesidad de un reformador de combustible. Por lo tanto, se puede utilizar metanol puro como combustible.
Las DMFC tienen rangos de temperatura de funcionamiento de entre 60°C y 130°C y tienden a utilizarse en aplicaciones con requisitos de potencia modestos, como dispositivos electrónicos móviles o cargadores y packs de energía portátiles 19 .
Las DMFC también podrían ser una alternativa a las PEMFC y a los depósitos de almacenamiento de H 2 a bordo de los vehículos. En esta línea, recientes proyectos pretenden demostrar el uso de pilas de combustible impulsadas por metanol como posibles extensores de la autonomía de pequeños coches urbanos eléctricos de batería.
Células de combustible de ácido fosfórico (PAFC)
Las células de combustible de ácido fosfórico (PAFC) utilizan ácido fosfórico líquido como electrolito (el ácido está contenido en una matriz de carburo de silicio unida a teflón) y electrodos de carbono poroso que contienen un catalizador de platino.
Las PAFC se desarrollaron a mediados de los años 60 y se probaron desde los 70. Desde entonces, se han mejorado características como la inestabilidad, el rendimiento y el coste. Estas características han convertido a las PAFC en buenas candidatas para aplicaciones estacionarias.
Funcionan en un rango entre 150°C y 200 °C, el agua resultante de la operación puede convertirse en vapor para el calentamiento de aire y agua (Combined Heat and Power, CHP). Esta característica permite aumentar la eficiencia hasta un 70%. A temperaturas más bajas, el ácido fosfórico es un mal conductor iónico, y el envenenamiento por CO del catalizador de platino en el ánodo se vuelve significativo. Sin embargo, tienen la ventaja de que son mucho menos sensibles al CO que las PEMFC y las AFC. Las PAFC admiten combustibles que contengan CO e incluso pueden tolerar una concentración de CO de alrededor del 1,5%, lo que aumenta la gama de combustibles que se pueden utilizar (nota: si se utiliza gasolina, primero hay que eliminar el azufre).
Células de Combustible de Carbonato Fundido (MCFC)
Las Células de Combustible de Carbonato Fundido (MCFCs) están siendo desarrolladas para centrales eléctricas de Gas Natural (GN) y de carbón para aplicaciones eléctricas, industriales y militares. Las MCFC funcionan a alta temperatura y utilizan un electrolito compuesto por una mezcla de sales de carbonato fundidas suspendidas en una matriz cerámica porosa y químicamente inerte de óxido de aluminio y litio (LiAlO 2 ). Dado que las MCFC funcionan a temperaturas extremadamente altas (650°C y más), los catalizadores no necesitan ser metales preciosos como el platino, lo que hace que las MCFC sean más asequibles 20 .
Tienen una eficiencia del 60% cuando producen electricidad y del 85% si se utilizan en cogeneración. Las ventajas del funcionamiento a alta temperatura es que hay un incremento de las eficiencias y permite el uso de catalizadores que son menos costosos; sin embargo, estas altas temperaturas acortan la vida útil de la FC y promueven la corrosión. Las MCFC pueden funcionar con combustibles como el gas natural, el biogás, el syngas, el metano y el propano.
Las desventajas incluyen una baja densidad de potencia y la agresividad del electrolito.