La célula de combustible

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La célula de combustible es un dispositivo electroquímico que convierte la energía química contenida en el hidrógeno en energía eléctrica y agua. Hoy en día, lamentablemente los combustibles fósiles tienen impurezas, muchas de ellas compuestas de azufre, y las altas temperaturas que se alcanzan en el proceso de combustión implican una reacción del nitrógeno presente en el aire.

Además, la cantidad de oxígeno presente no siempre es suficiente para la quema total del combustible, generando macropartículas de carbono. Todos estos factores generan una contaminación considerable. c

Otro problema es la eficiencia del uso de la energía química contenida en el combustible. La mayor parte de la energía liberada en la combustión directa, como la que se produce en la quema de combustible en los motores de los automóviles y en las plantas termoeléctricas, se encuentra en forma de calor.

En resumen, los mayores problemas de la producción de energía por combustión son:

• el combustible fósil no es renovable;
• el uso de energía es pequeño (baja eficiencia);
• la contaminación ambiental severa, creando graves problemas para la salud y los bienes materiales.

La célula de combustible es un equipo que realiza una reacción electroquímica entre el oxígeno y el hidrógeno que no representa una combustión. Normalmente estos sistemas tienen una alta eficiencia, son silenciosos y pueden ser ensamblados de manera modular, ya que no tienen partes móviles.

Las células de combustible estimulan la obtención de una solución local a medida que la fuente de hidrógeno se vuelve particularmente flexible. Hay seis tipos de células de combustible que se diferencian básicamente en los elementos constitutivos, en la temperatura de funcionamiento y en la pureza del gas utilizado.

Principio de funcionamiento

La célula de combustible es un tipo de batería en la que se produce el suministro continuo de energía siempre que se alimente continuamente con los gases. La reacción global del proceso en la célula de combustible que utiliza hidrógeno es: 2H2(g) + O2(g) => 2H2O + energía.

Cuando el hidrógeno entra en contacto con un catalizador (platino o aleación de platino-rutenio, platino-iridio u otros materiales), desprende electrones al metal o aleación produciendo H+. Estos protones son transportados por el electrolito, que en el caso de la célula PEM es una membrana polimérica (Nafion®). Esta membrana, además de llevar los protones, es un aislante eléctrico.

Los electrones, a su vez, son conducidos por un circuito externo que genera un flujo de electrones y por lo tanto corriente y energía. En el caso del oxígeno, que se puede obtener de la propia atmósfera, el vapor de agua se produce con la llegada de protones de hidrógeno a través de la membrana y la circulación de electrones.

Características y aplicaciones:

• tiene una alta eficiencia de conversión eléctrica, que alcanza el 50%;
• tiene una alta eficiencia de conversión con una cogeneración de hasta el 80% (el calor puede ser usado para calentar agua);
• generación en el sitio, sin contaminación química, porque sólo produce agua, y sin contaminación acústica;
• vida útil estimada de hasta 40.000 horas;
• el costo sigue siendo alto porque es una tecnología nueva y no se produce a gran escala.

Aplicaciones de la célula de combustible:

• vehículos espaciales;
• energía de respaldo (backup);
• generación de energía vehicular: vehículos eléctricos e híbridos;
• generación estacionaria en las industrias y los hogares;
• generación portátil como energía para teléfonos celulares y computadoras portátiles.

Escenarios

A pesar de las grandes inversiones en investigación y de todos los esfuerzos, especialmente de los países industrializados (como los Estados Unidos), todavía no se han superado los impasses científicos y tecnológicos. Se espera que en 50 años se produzcan avances para que los productos de la tecnología de las células de combustible sean comerciales y estén disponibles.

Hoy en día el costo de una unidad de generación de células de combustible del tipo PEM para su aplicación como respaldo de energía es de aproximadamente 5 mil euros por kilovatio. Este valor para ciertos nichos de mercado ya puede considerarse competitivo. Sin embargo, todavía está lejos de una aplicación amplia de este equipo.