Las pilas o celdas de combustible son una tecnología en expansión que pueden proporcionar electricidad y calor tanto para edificios como para vehículos y dispositivos electrónicos.
Cómo funcionan las pilas de combustible
Las pilas de combustible funcionan como baterías, salvo por la diferencia de que no se agotan o necesitan recargarse de nuevo. Producen electricidad y calor en tanto se suministre el combustible que usan. Las pilas de combustible constan de dos electrodos – uno negativo o ánodo y otro positivo o cátodo – intercalados en un electrolito. El hidrógeno actúa como combustible y alimenta el ánodo. Y por otro lado, el aire alimenta el cátodo. Activado por un catalizador, el hidrógeno se separa en protones y electrones, que siguen distintos caminos hasta el cátodo. Los electrones atraviesan un circuito externo, lo que crea un flujo de electricidad. Los protones migran a través del electrolito hasta el cátodo, donde se encuentran con el oxígeno y los electrones, produciendo agua y calor.
Tipos de pilas de combustibles
Aunque los principios básicos del funcionamiento de las pilas de combustible son los mismos, se han desarrollado numerosas variedades para aprovechar distintos electrolitos y así, las pilas se logran adaptar mejor a distintas aplicaciones o usos. Por ello hay distintos tipos de celdas de combustible que veremos a continuación:
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Pilas de Membrana de Intercambio Protónico:
Esquema pila de combustible PEM
Las pilas de membrana de intercambio protónico (PEM por las siglas en inglés de Polymer Electrolyte Membrane) o pilas de membrana de electrolito polimérico, usan precisamente un polímero de membrana como electrolito. Estas pilas funcionan a una temperatura relativamente baja y pueden variar rápidamente su producción para satisfacer la demanda de energía demandada. Las pilas PEM son las más adecuadas para alimentar vehículos. También pueden emplearse en estaciones de producción de energía.
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Pilas de Metanol Directo:
Esquema pila de combustible MDFC
Las pilas o celdas de metanol directo (o DMFC por Direct-Methanol Fuel Cells) son similares a las pilas PEM en cuanto a que usan un polímero de membrana como electrolito. Sin embargo, las pilas de metanol directo usan metanol sobre el ánodo, lo que elimina la necesidad de que el combustible pase por un reformador. Las pilas de metanol directo son interesantes para alimentar dispositivos electrónicos portátiles, como ordenadores portátiles o cargadores de baterías.
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Pilas de combustible Alcalinas:
Esquema pila de combustible AFC
Las pilas alcalinas usan como su nombre indica, un electrolito alcalino como hidróxido de potasio o una membrana alcalina. La NASA las utilizó por primera vez para sus misiones espaciales ya que tienen un mayor rendimiento, pero ahora tienen nuevos usos como el ser fuentes de energía portátil.
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Pilas de combustible de Ácido Fosfórico:
Esquema pila de combustible PAFC
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Pilas de combustible de carbonato fundido:
Esquema pila de combustible MDFC
Las pilas de carbonato fundido (MCFC por Molten Carbonate Fuel Cells) usan como electrolito una sal de carbonato fundido inmovilizada en una matriz porosa. Se vienen usando en instalaciones de producción de energía medianas o de gran tamaño, donde su alta eficiencia contribuye a ahorrar gran de cantidad de energía de la red. Su alta temperatura de funcionamiento (aproximadamente 600ºC) les permite reformar internamente combustibles tales como el gas natural o el biogás.
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Pilas de combustibles de Óxido Sólido:
Esquema pila de combustible SOFC
Las pilas de óxido sólido usan una capa cerámica delgada como electrolito sólido. Se han desarrollado con el fin de proporcionar energía en múltiples instalaciones así como para ser dispositivos de energía auxiliar en camiones de gran tonelaje. Funcionan a temperaturas de entre 700ºC a 1000ºC con electrolitos a base de óxido de circonio, y a temperaturas de 500ºC cuando el electrolito es óxido de cerio. Estas pilas pueden reformar interiormente gas natural y biogás, y pueden combinarse con motores a gas para producir electricidad con eficiencias del 75%.
Todos los diagramas de funcionamiento de las pilas son obra de Amalia1983 bajo licencia CC.
En la siguiente tabla se resumen las principales características de cada tipo de pilas o celdas de combustible:
| PILAS | PEM | DMFC | AFC | PAFC | MCFC | SOFC |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Nombre |
Pila de Membrana de Intercambio Protónico |
Pila de Metanol Directo | Pila alcalina | Pila de ácido fosfórico | Pila de Carbonatos fundidos | Pila de óxidos sólidos |
| Carga | H+ | H+ | OH– | H+ | CO32- | O2- |
| Temperaturas | 50-120ºC | 50-100ºC | 90-100ºC | 150-200ºC | 600-700ºC | 700-1000ºC |
| Eficiencias | 60% | 40% | 60-70% | 40% | 45-50% | 60% |
| Electrolito | Membrana de polímeros | Membrana de polímeros | KOH disuelto en agua | Ácido fosfórico | Carbonatos fundidos | Óxidos sólidos |
| Combustible | H2 | Metanol | H2 | H2 | H2, CH4, CO2 | H2, CH4, CO2 |
| Usos | Transporte, portátiles, residencial | Portátiles | Espaciales | Generación eléctrica distribuída. Automoción | Generación eléctrica, cogeneración | Generación eléctrica, cogeneración |
Producción combinada de electricidad y calor: cogeneración
Aunque el uso normal de las pilas de combustible sea la producción de electricidad, también pueden producir calor, lo que se conoce como cogeneración. Este calor puede aprovecharse para cubrir las necesidades de calefacción de edificios y viviendas, incluyendo la producción de agua caliente sanitaria. Por lo tanto, este tipo de pilas de combustible tienen gran interés y permiten una eficiencia de hasta el 90%. Con esto, se logran grandes ahorros en la factura de la luz y de combustibles para calefacción y agua caliente, y se reduce la emisión de gases de efecto invernadero.
Pilas de combustible Regenerativas o Reversibles
Esta clase especial de pilas de combustible producen electricidad del hidrógeno y oxígeno, pero pueden revertirse, de tal forma, que alimentadas con electricidad, pueden producir hidrógeno y oxigeno. Es una nueva tecnología en desarrollo que podría proporcionar almacenamiento para el exceso de energía producida por fuentes de energía intermitentes, como algunas de las fuentes de energía renovable (solar, eólica), para que luego pudieran liberar la energía en los momentos de baja o nula producción de energía.
