Celdas de combustible: Una celda de combustible es un dispositivo que convierte la energía química en eléctrica; en ella, el hidrógeno se combina con el oxígeno (O2) del aire y, tras una descarga eléctrica, también se produce agua (H2O) y calor. Este tipo de celda tiene por lo general tres partes fundamentales (un ánodo, un cátodo y un electrolito) y, según sus materiales será el proceso de producción de energía eléctrica.
Este proceso está representado en la siguiente fórmula:
Hidrógeno
El hidrógeno (H2) es un energético capaz de sustituir el petróleo y sus derivados en diferentes aplicaciones, ya que no contamina, es muy abundante y renovable.
Obtención de Hidrógeno
El hidrógeno, el elemento más abundante en el universo. En nuestro planeta difícilmente encontraremos el hidrógeno en su forma elemental, sino en compuestos y unido a otros elementos, por lo cual se recurre a diversos procesos para su obtención.
El método más utilizado en la industria para la producción de hidrógeno es el de reformación de hidrocarburos con vapor de agua, el cual consiste en hacer circular mezclas de hidrocarburo y vapor de agua sobre un catalizador de níquel a temperaturas y presiones elevadas.
La ecuación para la reacción con el hidrocarburo más simple, el metano, es:
Funcionamiento de una celda de hidrógeno
El Hidrógeno entra del lado del ánodo donde se oxida, mientras que el oxígeno entra del lado del cátodo para la reducción, esta celda contiene además electrodos de carbón poroso impregnados con catalizadores metálicos, donde el metal utilizado generalmente es platino. Asimismo contienen una membrana de intercambio de protones, los cuales atraviesan esta membrana del ánodo al cátodo, lo que hace posible la obtención del agua, por otro lado los electrones se mueven por un circuito externo, también del ánodo al cátodo, generando así la electricidad.
Tipos de celdas
• PEMFC (membrana de intercambio protónico). Actúa a temperaturas de 80 grados Celsius y sus ventajas son mayor densidad de potencia y vida útil. Es la tecnología que más se usa en transporte: los fabricantes automotrices la utilizan en sus aplicaciones para vehículos ligeros.
• SOFC (óxido sólido). Opera a una temperatura arriba de 650 y hasta 1000 °C y produce vapor, CO2y electricidad. No requiere metales preciosos para el catalizador, ni del proceso de reformación (obtención de H2 a partir de hidrocarburos ligeros).
Puede utilizarse en escalas grande y pequeña, en sistemas de alta potencia, incluyendo estaciones de generación de energía eléctrica para edificios o conjuntos habitacionales.
• AFC (alcalina). Es uno de los diseños más viejos: se usaba desde 1960 en los Estados Unidos, en programas espaciales. Su costo es muy alto y requiere hidrógeno y oxígeno puros comprimidos, por lo cual es muy poco comercial. Trabaja a temperaturas entre 150 y 200 °C. Tiene alrededor de 70% de eficiencia.
• PAFC (ácido fosfórico). Se puede aplicar en pequeños sistemas de potencia o estacionarios. Trabaja a temperaturas medias (de 150 a 250 °C) por eso no es recomendable su uso en automóviles. Requiere de un reformador externo y soporta hasta 1.5% de concentración de monóxido de carbono (CO) en el cátodo.
• MCFC (carbonatos fundidos). Es la más adecuada para grandes sistemas de potencia. Actúa a temperaturas aproximadas a 650 °C; tanto su construcción como su operación son más económicas, ya que usa níquel como catalizador, y como combustible, hidrocarburos.
Eficiencia energética
En general, una sola celda de combustible no genera mucha electricidad, por lo que se suelen agrupar muchas de ellas organizandolas en serie y en paralelo, el número de celdas usadas es superior a 45, esto varía según el diseño y la aplicación.
Un apilamiento o stack de celdas está formado por varias celdas individuales, cuyo número determina el voltaje total, mientras que toda la corriente se debe al área superficial de cada celda. Al multiplicar el voltaje por la corriente se conoce cuánta potencia eléctrica se ha generado, la cual se suele medir en kilowatts (kW). Para que el stack sea utilizable se requieren equipos periféricos adicionales para el control de admisión de gases, de la energía de salida y monitoreo, y de otros parámetros como temperatura y presión.
Beneficios del uso de celdas de Hidrógeno
● Ofrecen mayor eficiencia eléctrica que los procesos tradicionales.
● Su operación es silenciosa.
● La emisión de contaminantes es nula o mínima, ya que depende del combustible que se haya usado para producir hidrógeno.
● Su diseño modular permite flexibilidad en el tamaño y mayor confiabilidad en la manufactura a causa de un menor número de piezas móviles
● Pueden utilizarse en aplicaciones de calor y potencia, y tienen capacidad para múltiples combustibles: hidrógeno, gas natural, metanol, gasolina y otros.
La energía con base en hidrógeno ha iniciado su introducción comercial a través del sector transporte, en el cual los consumidores suelen pagar mucho más por consumo energético. La eficiencia de vehículos con base en hidrógeno podría ser el doble de la de un motor de combustión interna. Estos vehículos también pueden cumplir con la demanda creciente de cero emisiones al medio ambiente.
Aplicaciones
Estacionarias: Pueden ser instaladas en hospitales, clínicas, hoteles, edificios de oficinas, escuelas, plantas de potencia, y una terminal aeroportuaria, proveyendo potencia primaria ó de respaldo. En sistemas de edificios de gran escala, las celdas de combustible pueden reducir costos del servicio de energía de las instalaciones en un 20% a un 40% sobre el servicio de energía convencional.
Residencial: Las Celdas de Combustible son ideales para proveer potencia suplementaria y aseguramiento de respaldo para áreas críticas. Operan de manera silenciosa, reducen la contaminación del ruido, así como la contaminación del aire. El calor subproducto de una celda de combustible puede ser usado para proveer agua caliente ó calefacción para una casa.
Transporte: En la actualidad la más recurrente de las celdas son en naves espaciales o en vehículos grandes como autobuses; las grandes compañías automotrices están comenzando a trabajar también con las celdas de combustible.
Potencia Portátil: Podrán energizar celulares, tabletas y laptops más horas que las baterías comunes. Otras aplicaciones incluyen cámaras videograbadoras, herramientas de potencia portátil y dispositivos remotos de baja potencia. Estas Celdas de combustible Miniatura generalmente utilizan metanol, un alcohol de Madera barato también utilizado en fluido para limpieza de parabrisas.
Rellenos Sanitarios/ Tratamiento de Aguas: Las celdas de combustible actualmente operan en rellenos sanitarios y plantas de tratamiento de agua, mostrándose como una tecnología válida para la reducción de emisiones y generando potencia a partir del metano que ellas misma producen.
Aplicaciones en automóviles
Energético del futuro
Se acerca el día en que este elemento químico sea el combustible de los automóviles, como ya sucede con los transbordadores espaciales. Comparado con la gasolina, el hidrógeno como combustible extiende la vida del motor y reduce el mantenimiento, ya que no se acumula carbón en la cámara de combustión ni en las bujías, y los gases resultantes son tan limpios que casi no se necesita cambiar el aceite del motor, solo hay que sustituirlo periódicamente. El petróleo empieza a escasear y el hidrógeno abunda; la transición no será fácil, pero es inevitable. Nos dirigimos hacia una nueva tecnología energética, que traerá profundos cambios en el ámbito económico y social.
Bibliografía:
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