Así funcionan las celdas de combustible

Las celdas de combustible son un dispositivo en el que un flujo continuo de combustible y oxidante sufre una reacción química controlada suministrando directamente corriente eléctrica a un circuito externo. Los electrodos son estables y las emisiones contaminantes son mínimas o nulas.

En las celdas de combustible los reactivos se suministran de forma continua desde el exterior, pudiendo generar energía eléctrica de forma ininterrumpida.

El hidrógeno es un fluido que se pueda suministrar de forma continua al ánodo de las celdas de combustible.

El oxígeno es otro fluido que se pueda suministrar de forma continua al cátodo de las celdas combustible.

Cuando los fluidos son hidrógeno y oxígeno, además de producir energía eléctrica, el resultado de la reacción es agua. El hidrógeno se inyecta por el ánodo y el oxígeno por el cátodo.

En la pila de combustible se obtiene electricidad a partir de sustancias que reaccionan químicamente entre sí.

El esquema de funcionamiento es:

Entre los dos electrodos aparece una fuerza electromotriz. Si se quiere más tensión y más corriente se conectan más pilas formando asociaciones serie paralelo. La tensión de las celdas de combustible en un circuito abierto es de 1,2 V.

El ánodo es donde se oxida el combustible y el cátodo donde el oxidante se reduce. El electrólito actúa como aislante eléctrico, como conductor protónico y como separador de las reacciones químicas del ánodo y del cátodo.

Los electrones del van del ánodo al cátodo por el exterior, es decir por el circuito. Los protones van del ánodo al cátodo por el electrólito. La unión en el cátodo da lugar a la reacción en la que se produce agua, saliendo al exterior agua y nitrógeno.

También se consigue el mismo efecto en las celdas de combustible en lugar de con hidrógeno puro, con hidrógeno contenido en otras moléculas como por ejemplo el metanol siendo el residuo obtenido agua y dióxido de carbono.

Como podemos observar el hidrógeno entra en contacto con el ánodo y en el electrólito se ioniza. El hidrógeno ionizado alcanza el cátodo a donde han llegado los electrones por el circuito exterior, dando lugar a la formación de agua como residuo.

Las aplicaciones de las pilas de combustible pueden ser para el transporte o pueden ser para usos estacionarios, como viviendas conectadas a la red o viviendas aisladas.

Según el tipo de electrolito tenemos cinco tipos de celdas de combustible:

• Pilas de membrana de intercambio de protones o de membrana polimérica (PEMFC).
• Pilas de combustible alcalinas (AFC).
• Pilas de ácido fosfórico (PAFC).
• Pilas de carbonato fundido (MCFC).
• Pilas de óxido sólido (SOFC).

Pilas de membrana polimérica (PEMFC)

Tienen un electrolito formado por un polímero sólido. El rendimiento es de un 60% y la temperatura de operación está entre los 70 y 80º1C. Acepta hidrocarburos ligeros reformados. Los catalizadores son costosos y su principal aplicación es para el transporte y generación estacionaria.

En primer lugar se suministra hidrógeno al ánodo y oxígeno al cátodo. El hidrógeno al llegar al ánodo se disocia en protones y electrones. Esto es posible si se tiene un catalizador para aumentar la velocidad de las reacciones electroquímicas.

El electrolito es el que hace que solamente los protones puedan llegar al cátodo sin la necesidad de un circuito exterior. Por el circuito exterior solamente circulan los electrones entre ánodo y cátodo. Los protones y electrones llegan al cátodo, reaccionando con el oxígeno y produciendo corriente eléctrica, agua y calor.

Pilas de combustible alcalinas (AFC)

Tienen un electrolito formado por una solución acuosa de hidróxido de potasio. El rendimiento es de un 60% y la temperatura de trabajo entre 90 y 100 ºC. Necesita emplear hidrógeno puro, siendo las principales aplicaciones militares y espaciales.

Pilas de ácido fosfórico (PAFC)

Tienen un electrolito formado por ácido fosfórico líquido, un rendimiento entre el 50 y el 80%. La temperatura de funcionamiento está entre los 175 y 200ºC, aceptando hidrógeno impuro. Se utiliza para aplicaciones estacionarias y aparatos portátiles.

Pilas de carbonato fundido (MCFC)

Utilizan como electrolito una solución líquida de litio, sodio y potasio. El rendimiento está entre el 60 y el 90% siendo su temperatura de funcionamiento alrededor de los 800 ºC. Los catalizadores que utiliza son baratos aceptando hidrocarburos. Su aplicación es en instalaciones estacionarias.

Pilas de óxido sólido (SOFC)

Usan como electrolito el óxido de zirconio sólido con algo de itrio sólido. Tienen un rendimiento entre un 60 y 90%, siendo la temperatura de funcionamiento de unos 800ºC. Los catalizadores que utiliza son baratos, aceptando también hidrocarburos. Su aplicación es para instalaciones estacionarias.

El almacenamiento del hidrógeno es fundamental para poder implementar las celdas de combustible. Para almacenar hidrógeno se requiera una gran cantidad de energía. Las opciones para almacenarlo son, por una parte como gas a presión. Por otra parte licuando el hidrógeno o formando hidruros metálicos.

Como gas a presión, se comprime a unas 200 atm y se envasa en botellas para poderlo llevar al lugar de consumo. El principal problema es la poca energía almacenada y el elevado coste energético y el gran volumen requerido.

En forma líquida, el hidrógeno se licua a 14ºK. En este licuado se pierde un 30% de la energía potencial.

En hidruros metálicos donde se descomponen directamente para ser usados en la pila de combustible.

Uno de los mayores problemas en el almacenamiento del hidrógeno es la seguridad. Una fuga puede ocasionar la inflamación del mismo y provocar una explosión e incendio.

Para realizar los cálculos de la energía necesaria que debe suministrar la celda de combustible se realizan estos en función de la energía demandada. Para ello se debe conocer la potencia instalada y el tiempo de funcionamiento. Como la energía es el producto de la potencia por el tiempo, resulta:

                                               E = P * t

En el sistema internacional, la unidad es el Julio, pero en los cálculos de las instalaciones eléctricas es más práctico medir la energía en Kwh.

Para saber el consumo energético de una vivienda por día, solamente tenemos que sumar los consumos energéticos de las cargas conectadas a la instalación:

Energía / día  = Kwh totales / día

La energía consumida es la suma de todas las energías de la instalación:

Et = E1 + E2 + … + E_n

Con estos datos se dimensiona la celda de combustible para así poder obtener dicha energía eléctrica.

Autor: Antonio Blanco, profesor del Máster en Energías Renovables y Eficiencia Energética