Revisión de las Tecnologías disponibles en Células de Combustible

Las células de combustible están emergiendo como un fuerte candidato de energía alternativa. La tecnología ha madurado en los últimos años y tiene muchos beneficios comparados con los generadores, tales como la eficiencia de la célula, la resistencia del clima, el arranque fiable, y que son muy compactas (caben en un rack de 19"). Su operación silecinosa significa que no hay ningún indicio de que la fuente de energía esté operando, reduciéndose la probabilidad de robo. Se ha alcanzado un buen volumen de fabricación y con los precios cayendo, las células de combustible desfían a los generadores en términos de costes y fiabilidad.

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Las células de combustible operan convirtiendo un combustible, tal como el hidrógeno, en electricidad sin combustión.

PERSPECTIVA HISTÓRICA

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La célula de combustible fue desarrollada por Sir William Grove en Inglaterra en 1839. Sus experimentos con la electrolisis - el uso de la electricidad para separar el agua en hidrógeno y oxígeno - le llevaron a mencionar por primera vez un dispositivo al que denominó "fuel cell".

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La teoría de Grove era que podía desarrollarse el proceso inverso a la electrolisis, y obtener electricidad a partir de hidrógeno y oxígeno.

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Los experimentos pioneros de Grove fueron impulsados cuando en 1932, el Dr. Francis Thomas Bacon, de la Universidad de Cambridge, escribió el mayor capítulo de la célula de combustible. Utilizando materiales menos costosos que los que uso Grove mejoró el proceso creando un dispositivo que ya tenía aplicaciones reales, se le denominó "Bacon Cell". En 1959 Bacon desarrolló una máquina capaz de producir 5 kW de potencia.

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A partir de 1959, diversos proyectos en Estados Unidos desarrollaron aplicaciones comerciales de la célula de combustible: La Nasa desarrolló aplicaciones trabajando con General Electric, , Leonard Niedrach ideó la "Grubb-Niedrach fuel cell", Prat & Whitney patentaron la "alakine Fuell Cell (AFC).

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En los años 80, la tecnología de célula de combustible comenzó a ser investigada por fabricantes de automóviles, y en 1993, la compañía canadiense Ballard lanzó un vehículo que obtenía la energía a partir de la célula de combustible.

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Información más detallada sobre la historia de las células de combustible puede obtenerse aquí.

USO COMERCIAL DE LA CÉLULA DE COMBUSTIBLE

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El uso comercial de la célula de combustible ha despegado desde hace muy pocos años, cuando muchos proyectos comenzaron a instalarla en edificios como hospitales y colegios. El Departamento de Defensa de Estados Unidos, por ejemplo, puso en marcha 30 sistemas PAFC que generan 200 kW cada uno para demostrar las aplicaciones de esta tecnología en el mundo real. Ver aquí.

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CÓMO FUNCIONA LA CÉLULA DE COMBUSTIBLE

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Una célula de combustible genera energía eléctrica convirtiendo continuamente la energía química en electricidad por medio de una reacción electroquímica. La célula de combustible no tiene partes móviles, es una fuente de energía fiable y silenciosa. La célula de combustible típicamente utiliza hidrógeno como combustible, y el oxígeno (usualmente del aire) como oxidante en la reacción electroquímica. La reacción origina electricidad, agua como subproducto y calor como subproducto.

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Debido a que el combustible se convierte directamente en electricidad, una célula de combustible opera con mucha mayor eficiencia que los motores de combustión interna, extrayendo más electricidad de la misma cantidad de combustible.

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Cuando el gas hidrógeno se introduce en el sistema, la superficie de catálisis de la membrana dividen las moléculas de gas hidrógeno en protones y electrones. Los protones pasan a través de la membrana para reaccionar con el oxígeno del aire (formando agua). Los electrones, que no pasan a través de la membrana, deben desplazarse alrededor de ella, creando la fuente de electricidad en corriente continua.

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Las células de combustible se combinan en pilas de células de combustible. El número de células de combustible en la pila determinan el voltaje total, y el área de superficie de cada célula determina la corriente total.

TIPOS DE CÉLULAS DE COMBUSTIBLE

Las células de combustible se clasifican por su material de electrolito. Actualmente hay varios tipos de células de combustible desarrolladas para aplicaciones tales como teléfonos móviles (0,5 vatios) o tan grandes como plantas de energía pequeñas para un gran centro industrial o una ciudad pequeña (10 Mw).

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Alkaline Fuel Cell (AFC)

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Las células de combustible alcalinas son una de la tecnología más desarrollada pues su utilización comenzó en los programas Apolo de la NASA en los 60. Las células de combustible se usan en las aeronaves para producir electricidad y agua para beber. AFCs es uno de los modos más eficaces de producir energía pues alcanza un rendimiento próximo al 70 %.

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Las células de combustible alcalinas usan un electrolito que es una solución acuosa de hidróxido de potasio (KOH) retenida en una matriz estabilizada porosa. La concentración de KOH puede variar con las temperaturas de operación de la célula de combustible, con un rango que va desde 65 ºC a 220 ºC. El transportador de carga para un AFC es el ión hidróxilo (OH-) que migra del cátodo al ánodo donde reacciona con hidrógeno para producir agua y electrones.

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Una de las características de AFCs es que es muy sensible al CO2 presente en el combustible o aire. En el lado positivo, AFCs es la célula de combustible más barata que se fabrica.

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Phosphoric Acid Fuel Cell (PAFC)

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Las células PAFC fueron las primeras células en ser comercializadas. Desarrolladas en los 60 fueron mejoradas significativamente en estabilidad, rendimiento y coste. Son buenas candidatas para aplicaciones estacionarias.

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Opera con una eficiencia superior al 40 % en generación de electricidad. Cuando opera en aplicaciones de cogeneración, la eficiencia total es aproximadamente del 85 %. Además, a la temperatura de operación, el calor residual es capaz de calentar agua o generar vapor a la presión atmosférica.

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La alta eficiencia de PAFC cuando opera en modo de cogeneración es una ventaja de este tipo de combustible. Además, CO2 no afecta al rendimiento del electrolito o célula y puede operar fácilmente con combustibles sólidos reformados.

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Estas células están pensadas para instalaciones militares, edificios, hoteles, hospitales, etc.

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Molten Carbonate Fuel Cell (MCFC)

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La tecnología MCFC es una célula de combustible de alta temperatura. La mayor temperatura de operación permite usar gas natural directamente sin necesidad de un procesador de combustible.

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Las altas temperaturas de operación tienen ventajas e inconvenientes. Como ventaja mencionamos la capacidad de usar materiales standard de construcción, tales como láminas de acero inoxidable, y permiten el uso de catálisis basado en níquel en los electrodos. El calor como subproducto de MCFC puede usarse para generar vapor de alta presión que pueden usarse en muchas aplicaciones industriales y comerciales. Solid Oxide Fuel Cell (SOFC) Es la célula que trabaja a una mayor temperatura, con un rango que va de 600 a 1000 ºC, lo que permite se usen diferentes combustibles. La eficiencia de operación en le generación de electricidad está entre las más altas de las células de combustible al llegar al 60 %. Tienen también aplicaciones de cogeneración. . Las altas temperaturas permiten el uso de combustibles impuros, como los obtenidos del carbón de gasificación o de gases de procesos industriales. Sin embargo, los materiales de construcción son más caros. Proton Exchange Membrane Fuel Cell (PEMFC) .

La tecnología PEMFC es la mejor para su uso en vehículos, y eventualmente puede reemplazar los motores de combustión interna y diesel. Su desarrollo procede del programa Gemini de la NASA en los 60. Actualmente se usa en un rango que va de 1 w a 2 kw.

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La células de combustible PEM usan una membrana de polímero sólida (un film de plástico delgado) como electrolito. Este polímero es permeable a los protones cuando se satura con agua, pero no conduce electrones.

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El combustible de PEMFC es hidrógeno y el transportador de carga es el ión de hidrógeno.

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Comparada con otros tipos de células de combustible, la tecnología PEMFC genera más energía para un volumen o peso de combustible dado. Estas características de densidad de alta potencia las hace compactas y de peso ligero. Además, la temperatura de operación es menor que 100 ºC, lo cual permite un rápido arranque. Estas peculiaridades y la capacidad de cambiar rápidamente el rendimiento son algunas de las características que hacen que esta célula sea candidata para las aplicaciones de automoción.

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Las células PEMFC son también las mejores candidatas para los proyectos de telecomunicaciones. Direct Methanol Fuel Cell (DMFC) La tecnología DMFC está aún en sus primeras etapas de desarrollo, pero se ha demostrado útil para teléfonos móviles y ordenadores portátiles. Hasta ahora no ha despegado por su baja eficiencia y otros problemas.

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La ventaja es que su temperatura de operación es muy baja, entre 50 y 120 ºC, lo cual las hace excelentes candidatos para aplicaciones muy pequeñas o de tamaño medio.

Regenerative Fuel Cells (RFC)

La tecnología RFC puede cerrar en bucle cerrado y puede servir como base para una economía del hidrógeno trabajando operando en energías renovables. Las células de combustible generan electricidad, calor, y agua del hidrógeno, que pueden usarse para diferentes aplicaciones en factorías, vehículos y casas.

. Zinc-Air Fuel Cell (ZAFC)

La tecnología ZAFC trabaja también a altas temperaturas y sus subproductos pueden usarse para generar vapor a alta presión que es útil en muchas aplicaciones industriales y comerciales.