Energías alternativas
Así funciona una pila de combustible

Una pila de combustible o Fuel Cell es un dispositivo electroquímico de conversión de energía. La pila de combustible convierte el hidrógeno y el oxígeno en agua, en esa transformación se genera electricidad.
Mediante un proceso de combustión fría, convierte la energía química de un combustible en energía eléctrica útil, además de calor y agua pura, todo ello sin un proceso de combustión como paso intermedio. Estas pilas de combustible están formadas por dos electrodos separados por un electrolito, y generan electricidad siempre que se les provea de combustible y oxígeno. Pueden utilizar hidrógeno puro de forma directa, o cualquier combustible (gasolina, metanol, metano, hidrógeno, etanol, gas natural, gas licuado, etc.), que permita obtener gas rico en hidrógeno mediante un proceso interno de reformado.

Otro dispositivo electroquímico con el que estamos más familiarizados es la batería. Una batería contiene dentro de sí misma, todos los elementos que necesita para producir la electricidad. Esto significa que cuando se agotan, tienes que recargarla o reemplazarla por otra.

Con la pila de combustible, los elementos químicos fluyen constantemente dentro de la misma, por lo que nunca se agota. Siempre que se produzca ese flujo químico, se generará electricidad. El elemento principal es la célula de combustible. Hay diferentes tipos de células de combustible, según el proceso químico (electrolito) que utilicen para producir electricidad. Unas son más adecuadas para plantas generadoras, otras son más indicadas para aplicaciones portables o para ser utilizadas en los coches.

Panel de control de un automovil equipado con fuel cell

La pila de combustible de membrana de intercambio de protones (proton exchange membrane fuel cell o PEMFC) es una de las tecnologías más prometedoras. Veamos cómo funciona…

Membrana de Intercambio de Protones

El ánodo, borne negativo de la célula, cumple varias funciones. Por un lado conduce los electrones liberados por las moléculas de hidrógeno de forma que ese flujo pueda ser aprovechado por un circuito externo. Está repleto de pequeños canales que dispersan el gas de hidrógeno por toda la superficie del catalizador.
El cátodo, borne positivo de la célula, también está repleto de pequeños canales para distribuir uniformemente el oxígeno en la superficie del catalizador. Conduce los electrones del circuito externo al interior de la célula, donde pueden recombinarse con los iones de hidrógeno y de oxígeno para producir agua.
El electrolito es la membrana de intercambio de protones (PEM). Un material especialmente tratado para conducir únicamente los iones cargados positivamente. La membrana bloquea el paso de los electrones.
El catalizador es un material especial que facilita la reacción entre el oxígeno y el hidrógeno. Suele consistir de un papel carbón o tela fina impregnada de polvo de platino. El catalizador es áspero y poroso para ofrecer la máxima superficie de platino a las moléculas de oxígeno e hidrógeno.

Una pila de combustible o Fuel Cell es un dispositivo electroquímico de conversión de energía.

Funcionamiento

El hidrógeno en estado gaseoso (H2), se inyecta a presión en la pila de combustible por la parte del ánodo. Cuando una molécula de H2 entra en contacto con el catalizador (platino), se divide dando lugar a dos iones (H+) y dos electrones (e-). Los electrones salen de la célula a través del ánodo, recorriendo un circuito externo y produciendo algún trabajo útil, como el de arrancar un motor. Finalmente regresan de nuevo a la célula atravesando el cátodo.

Mientras tanto, en el lado del cátodo, se fuerza el paso del oxígeno al catalizador, lugar en el que se descompone en dos átomos. Cada uno de estos átomos posee una fuerte carga negativa que atrae a los dos iones de hidrógeno (H+) que atraviesan la membrana combinándose, cada uno de ellos, con un átomo de oxígeno y con los dos electrones que provenían del circuito externo, constituyendo una molécula de agua (H2O).

Esta reacción en una sóla célula produce una tensión de 0.7 voltios. Para conseguir una tensión mayor, lo que se hace es combinar varias células formando una pila de células (pila de combustible). Las constantes innovaciones que se están realizando tanto en el diseño como en los materiales, permiten que, hoy en día, una pila del tamaño de una maleta pequeña pueda hacer funcionar un coche.

El hidrógeno en estado gaseoso (H2), se inyecta a presión en la pila de combustible por la parte del ánodo. Cuando una molécula de H2 entra en contacto con el catalizador (platino), se divide dando lugar a dos iones (H+) y dos electrones (e-). Los electrones salen de la célula a través del ánodo, recorriendo un circuito externo y produciendo algún trabajo útil, como el de arrancar un motor. Finalmente regresan de nuevo a la célula atravesando el cátodo.

Problemas con la Pila de Combustible

Hasta aquí todo parece muy bonito, sin embargo, no todo es perfecto.

Hemos visto que la célula de combustible necesita de un flujo constante de oxígeno e hidógeno para funcionar. El oxígeno requerido proviene del aire. De hecho, en una típica célula PEM, el aire exterior se inyecta directamente dentro del cátodo. Lamentablemente, el hidrógeno no está disponible tan fácilmente y se necesita consumir mucha energía para producirlo. El hidrógeno también presenta importantes limitaciones de tipo práctico. Por ejemplo, no hay surtidores de hidrógeno cerca de tu casa donde poder repostar.

El hidrógeno es difícil de almacenar y de distribuir. Sería interesante poder usar un combustible en las pilas que fuera más fácil de conseguir. Esto es lo que realizan unos dispositivos denominados reformadores. Un reformador, convierte hidrocarburos o alcohol en hidrógeno que, a su vez, puede ser usado en la pila de combustible. Lamentablemente, los reformadores no son tampoco perfectos: producen calor y generan otros gases además del hidrógeno. Además, el hidrógeno generado no es del todo puro, con lo que la eficiencia desciende considerablemente.

Algunos de los combustibles más adecuados para obtener hidrógeno son el gas natural y el metanol. Mucha gente dispone en sus casas de gas natural o bombonas de propano que se podrían utilizar para alimentar pilas de combustible en el hogar. El metanol, por otra parte, es un combustible líquido similar a la gasolina y puede ser utilizado en pilas de combustibles para los coches. Es fácil de transportar y de distribuir. Podría convertirse en el candidato ideal para hacer funcionar a los coches con pila de combustible.

Pueden utilizar hidrógeno puro de forma directa, o cualquier combustible (gasolina, metanol, metano, hidrógeno, etanol, gas natural, gas licuado, etc.), que permita obtener gas rico en hidrógeno mediante un proceso interno de reformado.

El primer automóvil a hidrógeno fabricado en serie

El motor de este BMW de la Serie 7, con doce cilindros y propulsado con hidrógeno tiene una potencia de 150 kW, una aceleración de 0 a 100 km/h en 9,6 segundos, y alcanza una velocidad máxima de 226 km/h. Gracias a su tanque criogénico de 140 litros, tiene un alcance de 350 kilómetros. A ello se le suma una alimentación convencional a nafta, que - en virtud de la aún muy incompleta red de suministro con hidrógeno - permanece siempre a bordo. El motor sólo tiene una diferencia sustancial respecto de los convencionales: tiene válvulas inyectoras adicionales para el hidrógeno.

Automóvil a hidrógeno

Ventajas

-Nula emisión de contaminantes.
-Prestaciones equiparables a las de un automóvil convencional.
-Consumo y mantenimiento inferior al de cualquier coche actual.

Desventajas

-Peso elevado de la pila de combustible, que se instala en los coches-prototipo.
-Carencia de infraestructuras para el suministro de hidrógeno, metanol o gas natural.
-Fiabilidad todavía por demostrar de diversos elementos.
-Elevado costo, debido a la escasa producción de algunos componentes. Hoy, un coche con pila de combustible cuesta aproximadamente un 30% más que uno de gasolina o diesel con prestaciones similares.
-La tecnología de la pila de combustible ha obtenido significativos avances en los últimos años, y algunos fabricantes de automóviles ya han comenzado a ensayar esta tecnología en la propulsión de automóviles experimentales o como fuente de energía alternativa. No obstante, estos prototipos todavía son demasiado pesados y costosos, porque las pilas de combustible resultan voluminosas, pesadas y caras. En Estados Unidos, los tres mayores fabricantes de automóviles desarrollan en cooperación con compañías especializadas, sus propios automóviles con sistema de pila de combustible.


Otros combustibles alternativos

El desarrollo del hidrógeno como candidato número uno a erigirse en combustible alternativo al petróleo ha relegado a segundo plano a los vehículos eléctricos, a los que no hay que dejar en el olvido, ya que ofrecen buenos resultados, especialmente en la lenta circulación urbana. Además, permiten la posibilidad de combinar el motor eléctrico con un pequeño propulsor de combustión interna que se utilizaría en carretera. El gas natural es un combustible que se utiliza desde hace más de cuarenta años, pero la dificultad de almacenaje y su escasa autonomía lo han relegado al transporte urbano. Otra posibilidad es la energía solar, pero la necesidad de grandes paneles a instalar en los vehículos la hace incompatible con la tendencia del mercado de producir coches cada vez más ligeros y rápidos. Otra alternativa la constituyen el etanol y el metanol, dos alcoholes que cuentan a su favor con muchos argumentos: son líquidos inflamables, incoloros y de poca toxicidad, poseen un alto octanaje y una gran solubilidad en gasolina y, además, el etanol es usado como aditivo que se añade a la gasolina para oxigenarla porque ayuda a una mejor y más limpia combustión. Lamentablemente, con la tecnología actual y los altos precios de su producción, estos carburantes resultan notablemente más caros que los convencionales, por lo que su futuro es poco halagüeño.

Carga de Hidrogeno

Qué hacer para contaminar menos

-Usemos el transporte público siempre que sea posible, porque contamina menos. Además, casi siempre sale más económico que el propio.
-Usemos gasolina sin plomo. El plomo de los gases de escape perjudica el hígado, el cerebro y los riñones del ser humano, además de al efecto invernadero.
-Usemos la bicicleta siempre que podamos. Es más ecológica, no contamina, resulta muy saludable porque nos obliga a hacer ejercicio físico y no hace ruidos.
-Unos neumáticos correctamente inflados ahorran hasta un 5% en el consumo de gasolina. Ello significa menos gasto y menos contaminación.
-Mantener el motor a punto evita el gasto inútil de combustible y reduce la emisión de gases.
-Si cambiamos el aceite al coche, no tiremos el aceite usado al río, al mar ni al lavabo o inodoro: una lata de aceite provoca una mancha de 5 kilómetros de extensión y un sólo litro de aceite contamina un millón de litros de agua potable.
-No quememos el aceite usado: la combustión de los 5 litros de aceite que lleva el carter puede contaminar la cantidad de aire que respira una persona en 3 años. En su combustión se producen dioxinas y furanos, venenosos y cancerígenos.
-Conduzcamos a velocidad moderada. Manteniendo una velocidad constante de 90 -100 Km/h, el consumo de gasolina y la emisión de contaminantes serán menores que si conducimos más rápido.
-No llevamos en el coche pesos innecesarios. Y mantengamos las ventanillas cerradas. Con ambas medidas, se consume menos carburante.

La tecnología de la pila de combustible ha obtenido significativos avances en los últimos años, y algunos fabricantes de automóviles ya han comenzado a ensayar esta tecnología en la propulsión de automóviles experimentales o como fuente de energía alternativa

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