pila de combustible

Una pila de combustible genera corriente eléctrica combinando combustible de hidrógeno con oxígeno en una reacción electroquímica controlada. A diferencia de una batería, que almacena una carga fija, una pila de combustible funciona mientras se le suministre combustible. La reacción ocurre a través de una membrana que separa un ánodo rico en hidrógeno de un cátodo rico en oxígeno. Los electrones fluyen del ánodo al cátodo a través de un circuito externo, creando corriente continua utilizable, mientras que los iones viajan a través de la propia membrana. Las únicas emisiones son calor y vapor de agua.

Las pilas de combustible de membrana de intercambio protónico (PEM) son el tipo industrial más común. Estas utilizan una membrana polimérica que conduce protones pero bloquea electrones, forzando la corriente a fluir a través de la carga externa. Las temperaturas de operación oscilan entre 50 y 100 grados Celsius. Las pilas de combustible de óxido sólido (SOFC) funcionan a temperaturas más altas, entre 600 y 1000 grados Celsius, lo que las hace eficientes para la generación de energía industrial estacionaria y capaces de funcionar con varios combustibles de hidrocarburos con reformado interno. Las pilas de combustible alcalinas, las pilas de ácido fosfórico y las pilas de carbonato fundido sirven para aplicaciones especializadas donde una temperatura más alta, una mejor tolerancia a las impurezas del combustible o la recuperación de calor residual importan más que un tamaño compacto.

Diseño de la pila e integración del sistema

Las pilas de combustible individuales producen aproximadamente 0.7 voltios bajo carga. Los sistemas prácticos apilan docenas o cientos de celdas en serie para alcanzar el voltaje y la potencia de salida requeridos. Un sistema de pila de combustible de 50 kW podría contener 400 celdas individuales. La densidad de corriente en los electrodos típicamente varía de 200 a 1000 mA por centímetro cuadrado, dependiendo del tipo de celda y el punto de operación. La gestión del calor es crítica: las pilas de combustible convierten solo del 40 al 60 por ciento de la energía química del combustible en electricidad, por lo que los subsistemas de enfriamiento, humidificadores y regulación de presión son componentes esenciales.

El suministro de hidrógeno presenta la principal limitación práctica. La mayor parte del hidrógeno actual proviene del reformado con vapor de gas natural, lo que convierte a las pilas de combustible en parte de una cadena de suministro de combustibles fósiles existente en lugar de una fuente de energía limpia independiente. La electrólisis in situ o el suministro de hidrógeno de procesos industriales aumenta el costo, pero desvincula el sistema de los combustibles fósiles. Las impurezas en las corrientes de combustible, particularmente el monóxido de carbono y los compuestos de azufre, envenenan los catalizadores y degradan el rendimiento, por lo que el acondicionamiento del combustible y el control de la pureza son innegociables en la operación continua.

Las pilas de combustible aparecen en la manipulación de materiales (propulsión de montacargas), energía de respaldo estacionaria para sitios de telecomunicaciones, generación de energía distribuida en instalaciones industriales y aplicaciones automotrices experimentales. Compiten con los motores de combustión interna donde el silencio, el largo tiempo de funcionamiento sin reabastecimiento y las emisiones mínimas justifican un mayor costo de capital y complejidad operativa. La vida útil del sistema depende de la degradación de la membrana y la desactivación del catalizador; los objetivos actuales apuntan a 40,000 a 60,000 horas de funcionamiento en aplicaciones vehiculares y 80,000 horas o más para unidades estacionarias.