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Actualizado en 2 junio 2024

Tecnología de pila de combustible

Una pila de combustible es un dispositivo electroquímico que convierte la energía química en electricidad. Genera un potencial al separar las reacciones: el hidrógeno se oxida en el ánodo, mientras que el oxígeno se reduce en el cátodo. En la actualidad, hay tres tipos principales de pilas de combustible en desarrollo o en funcionamiento, cada una de las cuales ofrece ventajas, limitaciones y aplicaciones potenciales únicas. Las características clave de estos diferentes tipos de pilas de combustible se resumen en la siguiente tabla.

Tipo de pila de combustibleTemperatura de funcionamientoGas catódicoElectrólitoGas anódico
Membrana de intercambio de protones50-100 °CAire (O2 + N2)Polímero (H+)H2
Alcalino50-100 °CAire (O2 + N2)KOHH2
Óxido sólido500-1000 °CAire (O2 + N2)ZrO2 (O2-)CH4, CO
Principales tipos de pilas de combustible y sus correspondientes características clave.

Las pilas de combustible de membrana de intercambio de protones (PEM) utilizan un polímero sólido como electrolito y cuentan con electrodos de carbono porosos incrustados con un catalizador de platino. Funcionan utilizando solo hidrógeno, oxígeno del aire y agua, lo que elimina la necesidad de fluidos corrosivos que podrían requerir otras pilas de combustible. Por lo general, estas celdas de combustible funcionan con hidrógeno puro suministrado desde tanques de almacenamiento o reformadores a bordo.

Las pilas de combustible PEM funcionan a temperaturas relativamente bajas, alrededor de 50-100 °C. Sin embargo, el catalizador de platino es altamente susceptible al envenenamiento por CO, lo que requiere un reactor adicional para reducir el CO en el gas combustible si el hidrógeno se origina en combustibles de alcohol o hidrocarburos. Para abordar este problema, los desarrolladores están investigando catalizadores de platino/rutenio que exhiben una mayor resistencia al CO.

Las pilas de combustible PEM se emplean principalmente en el transporte y en algunas aplicaciones estacionarias. Estructuralmente, una pila de combustible de membrana de intercambio de protones comprende una membrana de intercambio de protones (electrolito polimérico) colocada entre un ánodo y un cátodo. La siguiente figura proporciona una representación esquemática de una pila de combustible PEM.

Ilustración del principio de funcionamiento de una pila de combustible de membrana de intercambio de protones (PEM)

Los procesos que tienen lugar en la pila de combustible son los siguientes:

  1. Introducción del combustible de hidrógeno: El combustible de hidrógeno se canaliza a través de placas de campo de flujo hacia el ánodo en un lado de la celda de combustible, mientras que el oxígeno del aire se dirige al cátodo en el lado opuesto.
  2. Reacción de oxígeno en el cátodo: En el cátodo, el oxígeno reacciona con los protones de la membrana de intercambio de protones y los electrones del electrodo.
  3. Disociación de hidrógeno en el ánodo: En el ánodo, las moléculas de hidrógeno se disocian y se adsorben como átomos de hidrógeno en un catalizador de platino.
  4. Transferencia de protones: La membrana de intercambio de protones permite que los iones de hidrógeno cargados positivamente pasen al cátodo.

La reacción general que se produce en la pila de combustible PEM es: 2H2 + O2 → H2O.

Las pilas de combustible alcalinas (AFC) se encontraban entre las primeras tecnologías de pilas de combustible desarrolladas y se utilizaron ampliamente en el programa espacial de EE. UU. para producir energía eléctrica y agua a bordo de naves espaciales. Estas pilas de combustible utilizan una solución de hidróxido de potasio en agua como electrolito y pueden emplear varios metales no preciosos como catalizadores en el ánodo y el cátodo.

Los AFC de alta temperatura funcionan a temperaturas entre 100 °C y 250 °C, pero los diseños más recientes funcionan a temperaturas más bajas de aproximadamente 23 °C a 70 °C. Los AFC son pilas de combustible de alto rendimiento debido a la rápida velocidad de las reacciones químicas dentro de la célula. También son altamente eficientes, logrando eficiencias del 60% en aplicaciones espaciales.

Sin embargo, un inconveniente importante de los AFC es su susceptibilidad a la intoxicación por dióxido de carbono (CO2); incluso pequeñas cantidades deCO2 en el aire (400 ppm) pueden perjudicar su funcionamiento, lo que requiere la purificación tanto del hidrógeno como del oxígeno utilizados en la célula. Esta sensibilidad al CO2 también afecta a la vida útil de la célula, o al tiempo que transcurre antes de que necesite ser reemplazada. No obstante, las pilas AFC han demostrado un funcionamiento estable durante más de 8000 horas.

Las pilas de combustible de óxido sólido (SOFC) utilizan un compuesto cerámico duro y no poroso como electrolito. Debido a la naturaleza sólida del electrolito, estas celdas no necesitan construirse en la configuración en forma de placa típica de otros tipos de celdas de combustible. Se prevé que las SOFC alcancen una eficiencia de alrededor del 50-60% en la conversión de combustible en electricidad.

Las SOFC funcionan a altas temperaturas, aproximadamente 1000 °C. Esta operación a alta temperatura elimina la necesidad de catalizadores de metales preciosos. Además, las SOFC son el tipo de pila de combustible más resistente al azufre, capaz de tolerar niveles significativamente más altos de azufre en comparación con otros tipos de celdas. También son inmunes a la intoxicación por monóxido de carbono (CO), lo que permite que el CO se utilice como combustible.

Sin embargo, la alta temperatura de funcionamiento presenta ciertas desventajas. El resultado es un arranque lento y requiere un blindaje térmico sustancial para retener el calor y proteger al personal. Si bien esto puede ser aceptable para aplicaciones de servicios públicos, plantea desafíos para el transporte o las aplicaciones portátiles pequeñas.

En los últimos años, las pilas de combustible de membrana de intercambio de protones se han convertido en la tecnología más utilizada para
aplicaciones industriales a gran escala. En particular, la industria automotriz se ha centrado casi
exclusivamente en esta tecnología. El sistema DASH Power fabricado por GRZ Technologies utiliza pilas de combustible PEM.

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