Pinceladas sobre mi trabajo de investigación, (2a parte)

Retomaremos el tema de las pilas de combustible, generadores electroquímicos que aprovechan la energía del hidrógeno y el oxígeno para la producción de energía, para hacer una breve clasificación de éstas y comentar dos casos particulares, concretamente las poliméricas, PEMFC, y las de óxidos sólidos, SOFC.

Usualmente, las pilas de combustible se clasifican según su temperatura de funcionamiento, o bien el tipo de electrolito que utilizan. También se pueden clasificar de acuerdo con la naturaleza del combustible utilizado. Hay pilas de combustible de baja y alta temperatura. Dentro del primer grupo encontramos las pilas de combustible alcalinas (AFC), las de metanol directo (DMFC), las de electrolito polimérico (PEMFC), y las pilas de combustible de ácido fosfórico. Las pilas de carbonato fundido (MCFC) y las de óxido de sólido (SOFC) operan a alta temperatura (500ºC).

Los electrolitos pueden ser de tres tipos: acuosos, fundidos y sólidos. A partir de los intervalos de temperatura, se puede ver que en los acuosos se utilizan a baja temperatura y intermedias, cuando están sometidos a presión. Los electrolitos fundidos se utilizan ocasionalmente a temperaturas intermedias, y usualmente a altas temperaturas. Finalmente, los electrolitos sólidos (por ejemplo, mezclas de óxidos), se usan a temperaturas muy altas.

Visto de otra manera, en una celda de combustible directa los productos de la reacción son eliminados, mientras que en una de regenerativa, los reactivos son regenerados a partir de los productos siguiendo diferentes métodos. En las celdas indirectas, hay un precursor que se convierte en el combustible.

En la siguiente tabla se intenta dar una visión general de los diferentes tipos de pilas de combustible, matizando el intervalo de temperatura de trabajo, las reacciones en los electrodos, posibles aplicaciones y especificaciones más importantes.



[[Fotografía: Esquema con las características de cada tipo de pila de combustible. Fuente: Handbook of fuel cells. (Parcialmente tomado de dicho libro.)]]



Pilas de combustible poliméricas. (PEMFC)

El electrolito de las PEMFC está formado por una membrana polimérica. La estructura de esta membrana es un polímero orgánico, como el Nafión 117 (de Dupont) o ácido poliperfluorosulfónico. Este tipo de polímeros se caracteriza por tener una excepcional estabilidad química y térmica y frente a las bases fuertes. El electrolito se hidrata al absorber el agua y los protones se pueden mover libremente. Por lo tanto, es adecuado que los gases de entrada tengan un cierto grado de humedad, aunque si éste es excesivo, la membrana dejaría de funcionar.

Cuando cada átomo libera un electrón, la naturaleza de la membrana provoca que los electrones queden sujetos rígidamente dentro de la estructura sin poderse mover a través de la membrana, con lo que el único movimiento posible se realiza a través de un cable externo para poder completar el circuito. Mientras tanto, el flujo de iones de hidrógeno pueden moverse libremente, con lo que se genera un movimiento del ánodo al cátodo a través de la membrana.

Las PEMFC trabajan con agua líquida, de manera que la temperatura máxima de trabajo debe de estar por debajo de la temperatura de ebullición, que depende de la presión de trabajo.

Además, el contenido de agua en la pila debe controlarse continuamente con el fin de mantener la conductividad iónica. Un déficit de agua puede ser provocado por un gran flujo de reactivos, una baja humidificación, una elevada temperatura y una baja presión. Un exceso de agua vendría determinado por los síntomas inversos a los que se acaban de exponer.

[[Fotografía: Esquema de la pila de combustible polimérica, PEMFC. Perdonen el idioma (catalán), presenté mi trabajo en dicha lengua. Fuente: Proporcionado por catedráticos de la universidad autónoma de Barcelona (retocada.)]]


El polímero utilizado habitualmente es el ácido poliperfluorosulfónico. Estas pilas se empezaron a desarrollar a principios de 1960. Ofrecen una alta densidad de potencia aunque no toleran la contaminación del CO y presenta unos niveles bajos de eficiencia respecto a otros tipos de pilas de combustible.

Reacción en el ánodo: H2 --> 2H+ + 2e-

Reacción en el cátodo: 1/2 O2 + 2H+ + 2e --> H2O

Reacción global en la pila: H2 + 1/2 O2 --> H2O

[[Fotografía: Esquema de las reacciones que tienen lugar en una pila de combustible polimérica. Fuente: http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/a/a3/PEMFC-fr.gif (Retocada).]]

Las principales características que debe cumplir la membrana son las siguientes:

• Debe constituir un separador de los gases oxidante y reductor.
• Debe actuar como aislante de electrones.
• Debe estar hidratada durante su funcionamiento.
• El electrolito ha de ser conductor de iones positivos únicamente.

Las características que han de poseer los electrodos son:

• Han de tener la máxima superficie disponible de platino en las caras contiguas con la membrana polimérica.
• Han de ser químicamente resistentes a los distintos compuestos con los que entran en contacto.
• Han de ser conductores eléctricos.
• Han de permitir el acceso de los gases a la superficie del catalizador.

La velocidad de las reacciones a la temperatura de trabajo de estas células es baja, de manera que es necesario el uso de un catalizador. En las PEMFC se utiliza el platino, ya que presenta la suficiente reactividad para enlazar las formas intermedias de hidrógeno y oxígeno. Sin embargo, el uso de platino resulta caro y es excesivamente sensible a las impurezas en los gases, de manera que estos dos aspectos son los que deben mejorarse. Actualmente, se están estudiando reemplazar estos catalizadores por los de platino/rutenio, que presentan más resistencia a la contaminación por CO.

La temperatura permite incrementar entre 1,1mV y 2,5 mV el voltaje de salida por cada grado aumentado, especialmente debido a la disminución de la resistencia óhmica del electrolito. No obstante, este hecho implica una reducción del transporte de masa a elevada temperatura. Otro aspecto sobre el que afecta la temperatura conjuntamente con la presión es en el punto de ebullición del agua, que no puede alcanzarse, ya que la célula no funcionaría.

La presión a la que se suele trabajar en las PEMFC suele encontrarse alrededor de los 0,285 MPa , aunque su rango de trabajo puede situarse entre los 0,1 MPa y los 10 MPa . El aumento de la presión aumenta el rendimiento de la pila, pero aún no se ha determinado si este aumento del rendimiento compensa la energía utilizada para comprimir los gases.

[[Fotografía: Representación del incremento de eficiencia de una PEMFC con la influencia de la presión del oxígeno. Fuente: Handbook of fuel Cells. (Retocada.)]]

Las pilas de membrana de electrolito polímero operan a relativamente bajas temperaturas (80º C). Este hecho permite que arranquen rápidamente al necesitar menos tiempo de calentamiento, lo cual representa una ventaja, ya que supone menor desgaste entre los componentes del sistema, y por tanto aumenta la duración del mismo. Las PEMFC tienen un gran poder energético, pueden variar rápidamente su suministro de energía en función de la demanda energética, tienen diversas aplicaciones tanto en equipos para la generación de energía eléctrica estacionarios como, sobre todo, en automóviles ya que éstos requieren un rápido suministro de energía y tienen muchas variaciones en la demanda energética. Así mismo, las PEMFC se pueden emplear para otras aplicaciones mucho más pequeñas como el reemplazamiento de baterías recargables en aparatos electrónicos.

El problema actual de este tipo de membrana se centra en su elevado coste de fabricación y en la limitación de la temperatura de trabajo por operar con agua líquida. Una mejora de estos dos aspectos implicaría un salto en el desarrollo de las PEMFC.

Pilas de óxidos sólidos (SOFC).

La pieza central de la célula es un electrolito constituido por un óxido sólido no poroso como el óxido de itrio (Y2O3) estabilizado con óxido de zirconio (ZrO2) , de un espesor comprendido entre 0,1 y 0,2 mm. El ZrO2 es un buen conductor de los iones de oxígeno y, al mismo tiempo, es un buen aislante para las moléculas de gas y los electrones. Su característica más destacada es la multifuncionalidad del colector de corriente eléctrica. Actúa simultáneamente como una guía para el gas natural y como un intercambiador de calor en miniatura para el aire de reacción.

El sistema de óxido sólido utiliza frecuentemente materiales cerámicos duros en vez de un líquido electrolítico, permitiendo operar a temperaturas próximas a 1.000º C. La ausencia de un electrolito líquido se debe a los grandes problemas de corrosión de los componentes y de gestión y control del electrolito que presentan las SOFC. Al ser el electrolito sólido, no se tienen que construir con una configuración laminar, como ocurre con los otros tipos de pilas. Se espera que las SOFC tengan un rendimiento en la conversión de combustible en electricidad de entre el 50-60%. En aplicaciones cuya finalidad es captar y utilizar el calor que desprende el sistema (cogeneración), el rendimiento total del combustible puede llegar hasta el 80-85%. Este tipo de pila alcanza tensiones de 0,6 V por pila y densidades cercanas a los 0.25 .

Una variante de las SOFC utiliza un conjunto de tubos largos mientras que otra versión consiste en un disco comprimido que tiene unidos en su parte superior un distribuidor del sólido. Junto con las MCFC son las únicas pilas que pueden utilizar CO como combustible. Estas pilas también son las más resistentes al sulfuro. Además, no se contaminan con CO que puede incluso ser utilizado como combustible. Esto permite el uso en estas pilas de gases procedentes del carbón.

Reacción anódica: H2 + O2- --> H2O + 2e-

Reacción catódica: 1/2 O2 + 2e- --> O2

Reacción general: H2 + ½ O2 --> H2O

[[Fotografía: Esquema de las reacciones que se dan en las SOFC. Fuente:http://images.google.es/imgres?imgurl=http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/a/a3/PEMFC-fr.gif&imgrefurl=http://commons.wikimedia.org/wiki/Image:PEMFC-fr.gif&h=281&w=202&sz=7&hl=es&start=38&um=1&tbnid=FEo4rmIsk7LceM:&tbnh=114&tbnw=82&prev=/images%3Fq%3DPEMFC%26start%3D36%26ndsp%3D18%26um%3D1%26hl%3Des%26sa%3DN (Retocada.)]]

Las elevadas temperaturas de trabajo de las SOFC permiten un proceso posterior de cogeneración y posibilitan que no sea necesario utilizar metales nobles como catalizadores, reduciendo el coste. Sin embargo, temperaturas tan elevadas condicionan los materiales escogidos e implican que su arranque sea lento y necesiten abundante protección para evitar que el calor se escape y para proteger al personal que trabaja con ellas, lo que no la convierte en una tecnología aceptable para el transporte y para algunos aparatos portátiles.

El desarrollo de materiales a bajo precio y de larga duración a las temperaturas a las que funciona la pila, es la clave del reto tecnológico al que se somete esta tecnología. La eficiencia térmica de las SOFC es inferior a otros tipos de pilas, ya que la energía libre de Gibbs disminuye con el aumento de la temperatura. A pesar de este hecho, el aumento de temperatura es beneficioso para la reducción de las pérdidas por polarización. La vida útil de las SOFC puede superar las 70.000 horas de funcionamiento.

Esta pila de combustible altamente prometedora podría ser usada en aplicaciones de alta potencia incluyendo estaciones de generación de energía eléctrica a gran escala e industrial.

Los científicos están estudiando en la actualidad el potencial para desarrollar pilas SOFC que funcionen a temperaturas iguales o inferiores a 800º C, que tengan un ciclo de vida superior y un coste más reducido. Las SOFC a temperaturas más bajas de su temperatura de trabajo habitual producen menos electricidad, y no se han encontrado materiales para estas pilas que funcionen a este rango de temperaturas.

[[Fotografia: Efecto de la temperatura en una pila de combustible de óxidos sólidos. Fuente: Handbook of fuel cells. (Retocada)]]

Fuentes de información:

- Handbook of fuel cells.
- Información cedida por la Universidad Autónoma de Barcelona y Universidad de Barcelona.
- Imágenes Google.

To be continued...