Pilas (página 2)

85 %

30% a 60 %

96 %

25 % a 50 %

En una pila de combustible se produce un proceso electroquímico directo

ELEMENTOS PRIMARIOS, SECUNDARIOS

Y PILAS DE COMBUSTIBLE

Los elementos galvánicos primarios o pilas y los secundarios o acumuladores se diferencian de las pilas de combustible en que los reactivos vienen prescriptos por los electrodos elegidos, por lo que su cantidad y su potencial quedan limitadaslimitados. En los acumuladores los productos generados durante la descarga pueden convertirse de nuevo en las sustancias iniciales mediante una electrólisis posterior. En las pilas primarias esto no resulta posible, ya que los procesos químicos que se desarrollan durante la generación de energía eléctrica son, en parte, irreversibles (figura 2).

La pila de combustible puede suministrar energía mientras se alimenta con combustible y oxígeno. La tensión de salida de la pila es relativamente pequeña, pero la intensidad de la corriente y el rendimiento son favorables.

Figura 2

Acumulador de plomo-ácido 

Pila alcalina de dióxido de magnesio

Capitulo 2 – REACCIÓN EN LA PILA DE COMBUSTIBLE

Desde el punto de vista físico, una pila de combustible consta de dos electrodos separados por un electrolito. El combustible, por ejemplo, el (hidrógeno), es conducido de forma continua a uno de estos electrodos: el ánodo. Como electrolito sólo pueden emplearse conductores iónicos tales como bases, ácidos y sales.

A continuación se explica con más detalle el funcionamiento de una pila de combustible mediante el ejemplo de una célula hidrógeno-oxígeno con electrolito alcalino (figura 3).

En la pila se oxida el combustible (el hidrógeno) de acuerdo con la siguiente reacción:

2H2 + O2 ® 2H2O

Esta reacción neta produciría una explosión si se mezclaran ambos reactivos y se calentaran o en presencia de una chispa, por lo que la pila de combustible H2-O2 se conoceconocía también con el nombre de "pila de gas detonante". En tal caso, la totalidad de la energía de reacción se disiparía en forma de calor. En la pila de combustible esta reacción exotérmica, que genera una gran cantidad de calor, es reversible. La reacción se regula para que se desarrolle de forma lenta y controlada, cediendo el mínimo de calor posible. sin que prácticamente se ceda calor.

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REACCIONES EN ÁNODO Y CÁTODO

El proceso reversible correspondiente a la reacción neta:

2H2 + O2 ® 2H2O

0. 0. Se subdivide en dos reacciones parciales.

      La figura 4 muestra la constitución esquemática y el funcionamiento de una pila de combustible H2-O2.

      1. En el material catalíticamente activo, que constituye uno de los electrodos —(el ánodo)—, se oxida el hidrógeno cediendo electrones. Estos electrones circulan por el circuito externo hacia el cátodo, desarrollando trabajo.

   1. Se subdivide en dos reacciones parciales.

      2H + 2OH- ® 2H2O + 2e- reacción anódica

       

      La figura 4 muestra la constitución esquemática y el funcionamiento de una pila de combustible H2-O2.

      1. En el material catalíticamente activo, que constituye uno de los electrodos (el ánodo), se oxida el hidrógeno cediendo electrones. Estos electrones circulan por el circuito externo hacia el cátodo, desarrollando trabajo.

      2. En el cátodo, situado a una cierta distancia, se reduce el oxígeno con incorporación de los electrones cedidos por el ánodo.

      O2 + 2H2O + 4e- ® 4OH- reacción catódica

      El electrolito, en este caso una solución concentrada de potasa cáusticahidróxido de sodio (KOH), transporta las cargas, es decir, los iones hidroxilo negativos (iones OH—) formados en el electrodo de oxígeno, hacia el ánodo por el interior de la pila. Conectando el ánodo con el cátodo, a través de una resistencia externa o de carga, la pila suministra energía eléctrica (U . I . t).

      Figura 4

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   2. H2 ® 2H

      Los electrodos empleados en las pilas de combustible hidrógeno-oxígeno son del tipo poroso de difusión gaseosa. De esta forma puede establecerse un buen contacto entre las tres fases que participan en la reacción. En estos puntos se forma la interfase ternaria a través de la que entran en contacto el gas de reacción, el electrodo y el electrolito. En una parte de los poros se alcanza el equilibrio entre la fuerza capilar y la presión del gas (figura 4a). En ellos tiene lugar la reacción en la que se generan la corriente y la tensión. Por tanto, en un electrodo poroso sólo contribuyen a la generación de energía eléctrica aquellos poros en los que la presión capilar y la presión del gas se equilibran (poros en equilibrio). Los poros demasiado estrechos se llenan totalmente de electrolito por efecto de la presión capilar, por lo que en ellos no puede tener lugar la reacción. En los poros demasiado anchos, el gas circula libremente sin llegar a reaccionar.

      Para conseguir la transformación más completa posible del gas, los electrodos porosos (según Bacon) se construyen con una estructura de doble capa:

      La capa de cubierta, dotada de poros finos, se dispone por el lado del electrolito y a capa activa, con poros gruesos, queda en el lado del gas (figura 4b).

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      Figura 4a

      Electrodo poroso con un poro en equilibrio, uno demasiado estrecho y otro excesivamente ancho.

      Figura 4b

      Electrodo de doble capa con la interface ternaria – la zona de reaccion – en la que se generan la corriente y la tensión

       

       

   3. LOS ELECTRODOS POROSOS

      La tensión de salida de la pila depende de forma decisiva de la afinidad A, es decir, de la tendencia que presentan ambos reactivos a reaccionar entre sí. A temperatura constante (proceso isotérmico) y bajo condiciones reversibles a presión constante, la oxidación del combustible, por ejemplo, del hidrógeno, se desarrolla aprovechando al máximo la entalpía libre de reacción ΔG, es decir, el trabajo de reacción correspondiente al proceso generador de energía eléctrica.

      A = — ΔG (menos delta G)

      Esta magnitud está relacionada termodinámicamente con la entalpía de reacción ΔH y la entropía de reacción ΔS de acuerdo con la ecuación:

      ΔG = ΔH — T . ΔS

      ΔG = — n . F . E

      n número de equivalentes electroquímicos

      F constante de Faraday: 96487 A s mol-1 o J mol-1 . V-1

      E fuerza electromotriz

      T temperatura absoluta en K (Kelvin)

      El signo menos es convencional. Se evalúa el intercambio de energía visto desde el sistema ΔG es negativo cuando la reacción conduce a un estado final de menor energía.

      En esta ecuación E representa la fuerza electromotriz y — T. ΔS la ganancia o la pérdida de energía que resulta al calentar o al enfriar la pila. Como la fuerza electromotriz E = — U coincide, salvo en el signo, con la tensión de salida de la pila sin carga, la tensión U teórica correspondiente a la oxidación del hidrógeno en un proceso reversible e isotérmico puede calcularse de acuerdo con la expresión:

      

      En caso de que se forme agua en estado líquido como producto final. La tensión de salida de la pila es, por tanto, del orden de 1 Volt.

       

   4. TENSIÓN DE SALIDA
   5. RENDIMIENTO TERMODINÁMICO

   En un principio se indicó que la energía química acumulada, por ejemplo, en el carbón, se transforma primero totalmente en calor en las centrales térmicas de acuerdo con la reacción de combustión

   C + O2 = CO2 + ΔH (ΔH: entalpνa de reacciσn).

   Este calor se convierte después en energía mecánica y finalmente en energía eléctrica. Según el segundo principio de la termodinámica sólo una fracción, caracterizada por el "rendimiento del ciclo de Carnot" h (Carnot), de la energía resultante del movimiento desordenado de las moléculas, es decir, del calor, puede convertirse en energía mecánica o en trabajo.

   Se cumple:

   

   T Temperatura absoluta en K (Kelvin)

   Si, por ejemplo, la temperatura del vapor en la caldera es T2= 600 K y la temperatura del vapor de escape de la turbina es T1 = 360 K, el rendimiento termodinámico h (Carnot) es, como máximo, del 40%.

   

   El rendimiento de las centrales térmicas sin ciclo combinado (aprovechamiento del calor disipado) altamente desarrolladas se aproxima a este valor. Por el contrario, la subsiguiente transformación de la energía mecánica en eléctrica se produce casi sin pérdidas.

    

   El rendimiento termodinámico que puede alcanzarse en una pila de combustible es, en condiciones favorables, considerablemente mayor.

   

   Si, como resultado de la reacción entre el hidrógeno y el oxígeno, se obtiene agua en estado líquido como producto final, el rendimiento termodinámico llega a ser del 83%. Los valores de ΔG y ΔH se expresan en J mol-1.

   

   Si el producto de la reacción, es decir, el agua, está en forma de vapor, el rendimiento termodinámico alcanza el 94,5%.

   

   Cuando el carbono C se oxida para dar monóxido de carbono CO, el rendimiento termodinámico puede llegar a ser incluso del 124%; la energía adicional necesaria se toma del ambiente en forma de calor y se cede como energía eléctrica.

0. RENDIMIENTO TERMODINÁMICO EN LA PILA DE COMBUSTIBLE

0.  

1. TOMA O CESIÓN DE CALOR

ΔG y ΔH son siempre negativas en las reacciones que se utilizan, en general, para generar energía. El rendimiento termodinámico está influido por ΔS de la forma siguiente:

1. Cuando ΔS > 0 aumenta la entropía (grado de desorden) y el rendimiento termodinámico h term es mayor que 1. La pila produce, en este caso, más energía eléctrica que la equivalente a la energía térmica resultante de la reacción correspondiente. En una pila que opere de forma isotérmica, la energía adicional necesaria T. ΔS se toma del ambiente en forma de calor. Por ejemplo, en la reacción

2 C + O2 Þ 2 CO, así se tiene h term = 124%.

2. Cuando ΔS = 0, el rendimiento es del 100%. En esta reacción no se toma ni se cede calor. La tensión de salida de la pila no varía con la temperatura. Este es, por ejemplo, el caso de la reacción

C + O2 Þ CO2, en la que h term = 100,2%.

3. Cuando ΔS < 0, se cumple h term < 1. Entonces la pila genera, además de la energía eléctrica, la cantidad de calor —T . ΔS. Durante la reacción debe extraerse el calor producido en la pila. En caso contrario, aumentaría la temperatura en ella y caería su tensión de salida. Este es, por ejemplo. el caso de la reacción.

2 CO + O2 Þ 2CO2, en la que se tiene h term = 90,8%.

VELOCIDAD DE REACCIÓN Y TEMPERATURA

El rendimiento termodinámico de una pila de combustible es mayor o menor que el 100%, dependiendo de si la tensión de salida U de la pila aumenta o disminuye con la temperatura. ΔG puede determinarse a partir de datos calorimétricos para una temperatura determinada. Incluso bajo condiciones de reacción isotérmicas y reversiblesreacciones isotérmicas y reversibles no puede convertirse la totalidad de la energía térmica en energía eléctrica, pues siempre se produce una pequeña pérdida de calor. Por ello conviene operar con las pilas de combustible hidrógeno-oxígeno a una temperatura reducida para obtener una tensión elevada y un alto rendimiento.

Sin embargo, para alcanzar densidades de corriente favorables hay que operar con pilas de combustible a una temperatura elevada, pues la velocidad de las reacciones que se producen en los electrodos aumenta con la temperatura. Se rata de problemas de cinética de reacciones que determinan la densidad de corriente y, con ella, el rendimiento efectivo. Además, el agua obtenida como producto de reacción en las pilas de combustible H2-O2 puede evacuarse de ellas más fácilmente a temperaturas elevadas, por ejemplo, por evaporación.

Capitulo 3 – ELECTRODOS

• ELECTRODO DE HIDRÓGENO

Las tensiones de salida de las pilas calculadas a partir de los valores de ΔG no coinciden, a menudo, con los valores determinados experimentalmente. La causa de ello radica en el desarrollo incompleto de la reacción principal o en las reacciones secundarias que no pueden tenerse en cuenta al calcular dicha tensión de salida. En el electrodo de hidrógeno se establece con facilidad el potencial reversible del hidrógeno. Uno de los requisitos esenciales que debe cumplir el material de dicho electrodo es su capacidad de disociar la molécula de hidrógeno, es decir, de dividirla en dos átomos H. Para ello por lo general se emplean catalizadores. Las reacciones que se desarrollan en los "puntos catalíticamente activos" del electrodo pueden representarse de la forma siguiente:

H2 Þ 2H(adsorbido)

2H(adsorbido) + 2OH- Þ 2H2O + 2 e-

Con electrólitos alcalinos se han acreditado, como catalizadores para el electrodo de hidrógeno, los metales nobles finamente divididos (negro de platino) y catalizadores de Raney correspondientes al grupo del hierro y del platino, también se encuentran en desarrollo catalizadores de cobalto.. Con electrólitos ácidos se han empleado últimamente como catalizadores además de los metales nobles de alto precio, el carburo de volframio, el fosfuro de cobalto (CoP3) o el disulfurobisulfuro de molibdeno. Las pilas de carbonato fundido utilizan níquel que le da una ventaja económica importante con respecto a los otros catalizadores.

ELECTRODOS DE OXÍGENO

El potencial se establece bastante más lentamente en el electrodo de oxígeno que en el de hidrógeno. Resulta mucho más difícil reproducirlo y, en general, es de 100 a 150 mV menor que el potencial teórico del oxígeno.

Puede suponerse que en el electrodo de oxígeno se desarrolla, para un electrolito alcalino, la siguiente reacción neta:

O2 + 2H2O + 4e- Û 4OH-

Sin embargo, en realidad la reacción tiene lugar de forma bastante más complicada. Se ha determinado (por Berl) que esto es debido a que, en el electrodo de oxígeno, se forman también iones de peróxido de hidrógeno que afectan considerablemente al potencial. Por ello, se cumple:

O2(adsorbido) + H2O + 2e- Û OH- + HO2-

La disminución de la concentración de peróxido es uno de los requisitos esenciales para que los electrodos de oxígeno funcionen correctamente. Además de por la plata y el platino, la disociación del peróxido es catalizada también por espinelas tales como los compuestos CoAl2O4 o FeMnAg, ,incorporados en carbones de alta actividad. De esta forma, la reacción electroquímica queda sustituida por la disociación catalítica en el mecanismo de reacción.

Los iones HO- formados se disocian dando oxígeno e iones OH-

2HO2- Û O2 + 2OH-

RENDIMIENTO DE TENSIÓN Y SOBRETENSIÓN

Como ya se ha indicado, el electrodo de oxígeno no trabaja de forma totalmente reversible. Por ello, una pila de combustible hidrógeno-oxígeno suministra una tensión en vacío o reposo U0 que difiere de la tensión Ut, calculada termodinámicamente. La divergencia, tanto respecto a la tensión teórica Ut, como a la de reposo U0 que se observa al aplicar una carga a la pila se designa como sobretensión o polarización.

El rendimiento electroquímico o rendimiento de tensión h u se deriva de la tensión de servicio Ua que depende de la carga de la pila y de la tensión teórica Ut o ΔG. Si, por ejemplo, la tensión de servicio de una pila de combustible hidrógeno-oxígeno es Ua=1,15 V y su tensión teórica Ut = 1,23 V, se tiene h u = 93,5%.

Uno de los problemas principales que resultan al diseñar pilas de combustible es precisamente reducir al mínimo esta sobretensión, lo que puede conseguirse. en parte, empleando catalizadores adecuados. La sobretensión o polarización está representada en la figura 5 en la que se ha indicado la tensión en función de la corriente.

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 MEDICIÓN DE SOBRETENSIÓN DE UN ELECTRODO SUELTO

Para medir la polarización o sobretensión de un electrodo suelto puede emplearse el montaje con una semipila representado en la figura 6. Se hace circular una corriente entre el electrodo de trabajo A y el contraelectrodo C y se observa el potencial con ayuda de un electrodo de referencia B. Con el fin de eliminar al máximo la caída de tensión en el electrolito se utiliza, para medir los potenciales, un capilar de Haber-Luggin D en el que se ha introducido el citado electrodo de referencia B.

Como electrodo de referencia puede emplearse, al igual que para medir los potenciales de la serie electromotriz, un electrodo normalizado de hidrógeno o un "electrodo de segunda clase" como, por ejemplo, uno de calomelano.

La sobretensión o polarización es función de la densidad de corriente i

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Capitulo 4 – ELECTROLITOS

ELECTRÓLITOS Y CATALIZADORES

Si se desea reducir al máximo la resistencia interna de la pila, habrá que utilizar un electrolito con una conductividad específica elevada. Además, el espesor de la capa de electrolito debe ser lo menor posible. Las bases, los ácidos, lo polímetros y las sales fundidas constituyen, por ejemplo, electrolitos de buena conductividad. Los hidróxidos alcalinos se distinguen por su gran estabilidad y su muy buena conductividad. Permiten utilizar electrodos compuestos por metales relativamente poco nobles, ya que la tendencia a la corrosión de los metales en, por ejemplo, una solución de potasa cáustica es muy reducida. Las dificultades aparecen si se desea utilizar un electrolito ácido, pues exceptuando los metales nobles de alto precio, hay pocas sustancias que puedan emplearse como catalizadores o para fabricar las distintas piezas. Como catalizadores para la oxidación del combustible se están ensayando actualmente el carburo de volframio, el fosfuro de cobalto (CoP3) y el disulfurobisulfuro de molibdeno. Para la reducción del oxígeno se utilizan ftalocianinas polimerizadas sobre estructuras de carbón y carbones activados. En medio ácido, la reducción del oxígeno se desarrolla con incorporación de cuatro electrones de acuerdo con la ecuación:

O2 + 4H+ +4e- Þ 2H2O

ALGUNOS ELECTRODOS EMPLEADOS

Las pilas de combustible hidrógeno-oxígeno son las que han alcanzado mayor grado de desarrollo, pues las reacciones del hidrógeno con el oxígeno son las han sido estudiadas con más detalle. Las ventajas de las "pilas de gas detonante", como también se las llama, radican en la elevada reactividad que caracteriza a estas sustancias y en que como resultado de la reacción se obtiene agua, que es fácilmente evacuable.

Sin embargo, el hidrógeno es un combustible caro que sólo puede almacenarse difícilmente, por ejemplo, en estado líquido.

En Alemania R.F. se desarrolló un tipo de electrodos para electrolitos alcalinos, que se conoce con el nombre de electrodo con cataliza doble esqueleto y está formado por níquel de Raney o por plata de Raney con níquel-carbonilo. Disolviendo el aluminio incorporado en la aleación, se obtiene un electrodo con una estructura de níquel o plata muy desordenada que presenta una actividad excelente.

En Siemens se desarrollaron electrodos no aglomerados (electrodos soportados) de gran superficie formados por catalizadores de Raney no sinterizados de alta actividad y por una capa porosa de asbesto impregnada de electrolito. Estos electrodos pueden ser muy delgados y trabajar con presiones de gas relativamente pequeñas.

La constitución de este tipo de pilas desarrollada por Siemens está representada esquemáticamente en la figura 7.

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INTERFASE BINARIA

Los electrodos con interfase binaria (figura 87a) pueden reaccionar con combustibles o agentes oxidantes líquidos disueltos directamente en el electrolito. La reacción se produce entonces en la interfase formada por el material catalizador del electrodo y el electrolito que incluye en disolución

El combustible o el agente oxidante. Este procedimiento se utiliza también para la oxidación de los alcoholes, las hidracinas y el peróxido de hidrógeno.

Entre los electrodos que presentan una interfase binaria figuran también los metálicos no porosos como, por ejemplo, los de lámina de Pd o Pd-Ag.

En la figura 87b se representa la constitución esquemática de un electrodo no poroso de difusión. El hidrógeno sólo llega al electrolito por difusión. Se difunde a nivel atómico a través de la estructura del metal y reacciona, tras ser ionizado. con los iones OH-.

H2 Þ 2H+ + 2e-

H+ + OH- Þ H2O + 2e-

Como no es preciso que se establezca una interfase ternaria, es posible elegir libremente la presión y la composición química de los gases

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Capitulo 5 – TIPOS DE PILAS DE COMBUSTIBLE

Es difícil hoy en día determinar cual es la mejor pila de combustible. El estudio realizado por Arthur D. Little Inc. Expresa que no existe una pila de combustible que eclipse a las otras. Este resultado es esencialmente debido a que el mercado para las celdas de combustible es muy variado, yendo de estaciones generadoras de gran tamaño hasta automóviles. Cada segmento de este mercado puede ser satisfecho con una variada mezclas de tecnologías. No obstante se intenta dar un panorama de los tipos masmás comunes.

PILA DE ACIDO FOSFÓRICO (PAFCs)

Este es el tipo de pila masesta desarrollado al nivel comercial. Estas pilas de ácido fosfórico, generan electricidad a mas del 40% de eficiencia y cerca del 850 % si el vapor producido es empleado en cogeneración, comparado con el 30% de la mas eficiente máquina de combustión interna este es un rendimiento mas que óptimo.

Los iones de hidrógeno emigran a través del electrolito del ánodo al cátodo. Los electrones viajan del ánodo a través de un circuito externo, proporcionando energía eléctrica en el camino, y van al cátodo. Allí los electrones, iones de hidrógeno y el oxígeno forman agua que es eliminada de la pila. Un catalizador de platino en los electrodos acelera las reacciones.

Las temperaturas de operación se encuentran en el rango de los 2100 °C. Su uso es muy apropiado para generación estacionaria o móvil de gran dimensión como camiones, embarcaciones o trenes.

Existen en producción comercial unidades de alrededor entre 5 KW dea 2500 KW

PILA DE POLIMERO SÓLIDO

O MEMBRANA DE INTERCAMBIO PROTÓNICO (PEM)

Estas celdas pilas operan a relativamente bajas temperaturas, alrededor de los 950 °C, su eficiencia llega al 40 % o 50 %. Su comportamiento interno es similar a las pilas de oxido fosfórico (PAFC)

tTienen una densidad de potencia alta, pueden variar su potencia de salida rápidamente para satisfacer cambios en la demanda de potencia y son adecuadas para aplicaciones donde se requiere una demanda inicial rápida, tal como el caso de los automóviles. Un reformador externo puede obtener de los combustibles como metanol o naftas, hidrógeno. Actualmente, unidades de la demostración de 70 KW de capacidad están operando y unidades de 250 KW están bajo el desarrollo

De acuerdo con el Departamento de Energía de EE.UU., sonSon las principales candidatas para vehículos ligerovianos, edificios y potencialmente para otras aplicaciones mucho masmás pequeñas como las baterías recargables de las videocámaras, teléfonos celulares, etc.

PILA DE CARBONATO FUNDIDO (MCFCSs).

En una pila de combustible de carbonato fundido, las sales del carbonato son el electrolito. Calentado a 650 C, las sales funden y los iones carbonato (CO3-) se conducen del cátodo al ánodo. En el ánodo, el hidrógeno reacciona con los iones para producir agua, anhídrido carbónico, y electrones. Los electrones viajan a través de un circuito externo, entregando energía eléctrica, hasta el cátodo. Allí, oxígeno del aire y anhídrido carbónico reciclados del ánodo reaccione con los electrones para formar iones de CO3- que atraviesan el electrolito hasta el ánodo.

Las altas temperaturas de las MCFC permiten extraer el hidrógeno de una variedad de combustibles con el uso de un reformador interior o externo. Las MCFC son menos sensibles a la contaminación con monóxido de carbono que "envenena" a las otras pilas de combustible de baja temperatura, esto hace que estas pilas sean atractivas para la alimentación con combustibles fósiles o basados en carbón.

Las MCFC trabajan bien con catalizadores hechos de níquel que son mucho más económicos que los de platino. Las MCFC tienen un 60 % eficacia, y puede subir al 80 % si el calor desechado se utiliza para la cogeneración. Actualmente, las unidades de la demostración han producido hasta 2 MW (Megavatios), pero existen planes para unidades de 50 a 100 MW de capacidad

Dos son las mayores dificultades con que la tecnología del carbonato fundido esta en desventaja comparada a las pilas de óxido sólido. Uno es la complejidad de trabajar con un electrolito líquido en lugar de uno sólido. El otro radica en la reacción química dentro de una pila del carbonato fundido, en donde los iones del carbonato del electrolito se agotan en las reacciones al ánodo, haciéndolo necesario compensar inyectando anhídrido carbónico al cátodo.

Las pilas de combustible de carbonato fundido prometen altas eficiencias combustible-electricidad y la habilidad para consumir combustibles base carbón. Esta celda opera a temperaturas del orden de los 600 °C. La primera pila de carbonato fundido a gran escala ha sido ya probada y algunas unidades para demostración están siendo terminadas.

PILA DE ÓXIDO SÓLIDO (SOFCs).

La pila de combustible de óxido sólido (SOFC) usa un electrolito cerámico duro en lugar de un líquido y opera a las temperaturas a alrededor de 1000 °C . Una mezcla de óxido de circonio y óxido de calcio en una estructura cristalina, aunque también se han usado otras combinaciones del óxido como electrólitos.

A estas temperaturas de funcionamiento altas, los iones de oxígenos (con carga negativa) emigran a través de los espacios del cristal. Cuando se pasa un gas de combustible que contiene el hidrógeno por el ánodo, el flujo en movimiento de los iones de oxígenos negativamente cargados provenientes del electrolito, oxidan al combustible. El oxígeno se toma, normalmente del aire, al cátodo. Los electrones hacen su viaje del ánodo, a través de una carga externa, al cátodo, completando el circuito y proporcionando energía eléctrica en el camino. Las eficacias obtenidas pueden llegar al 60 % aproximadamente

El uso con cogeneración utilizando microturbinas esta siendo desarrollado por Siemens Westinghouse, quienes se encuentran a la vanguardia en estas tecnologías.

Las potencias oscilan entre 5 KW a 10 MW, son altamente prometedoras para generación estacionaria (grandes usinas) o pequeñas generaciones (alrededor 200 KW) en cogeneración con microturbinas.

Otra pila de combustible altamente prometedora, la pila de combustible de óxido sólido, podría ser usada en aplicaciones grandes de alta potencia incluyendo estaciones de generación de energía eléctrica a gran escala e industrial. Algunas organizaciones que desarrollan este tipo de celdas de combustible también prevén el uso de estas en vehículos motores. Una prueba de 100 KW está siendo terminada en Europa mientras que dos pequeñas unidades de 25 KW se encuentran ya en línea en Japón. Un sistema de óxido sólido normalmente utiliza un material duro cerámico en lugar de un electrolito líquido permitiendo que la temperatura de operación alcance los 1.000 °C. Las eficiencias de generación de potencia pueden alcanzar un 60%. Un tipo de pila de combustible de óxido sólido utiliza un arreglo de tubos de un metro de longitud mientras que otras variaciones incluyen un disco comprimido semejando la parte superior de una lata de sopa.

PILAS DE COMBUSTIBLE A METANOL DIRECTO

Nuevos miembros de la familia de celdas de combustible, tales como las de alimentación a metanol directo, surgen como resultado de la necesidad de contar con un producto fácil de transportar, relativamente seguro y esencialmente rico en hidrógeno.

PILA DE COMBUSTIBLE A HIDRACINA-OXÍGENO

La constitución, el funcionamiento y las características de una pila de combustible pueden estudiarse sobre la base de un modelo de Siemens correspondiente a una pila de combustible hidracina-oxígeno.

El sistema consta de un electrodo de red de níquel platinado (ánodo) dispuesto en el lado del combustible (con interfase binaria) y de un electrodo poroso de carbón con algo de plata (cátodo) con interfase ternaria.

El combustible (hidracina) se mezcla con el electrolito y circula, por tanto, por el interior de la pila. El oxígeno se lleva al cátodo con una presión de 14 N/cm2 (1 bar = 10 N/cm2, 1 N [Newton] = l05 Pa [Pascal]). La oxidación de la hidracina con el oxígeno se realiza de acuerdo con la siguiente reacción neta:

N2H4(fl) + O2 Þ N2 + 2H2O(fl)

Teóricamente puede obtenerse de la pila una tensión de salida Ut= 1,61 V. En realidad no se alcanza esta tensión de salida, ya que el electrodo de hidracina trabaja esencialmente como uno de hidrógeno:

N2H4 ® 4H + N2

PILAS DE COMBUSTIBLE EN LA NAVEGACIÓN ESPACIAL

Para el proyecto GeminisGéminis se desarrolló una batería pila H2-02 de 1 KW tipo PEMcon membranas intercambiadoras de iones. Como electrolito se utilizó una membrana intercambiadora de cationes formada por un macropolímero sulfonado. Los electrodos constaban de unas redes finas de alambre con catalizadores incorporados de metal noble y presionaban por ambos lados contra la membrana. La corriente era transportada en la membrana por iones positivos H+. El agua formada como producto de la reacción era absorbida, en parte, por la membrana y evacuada del cátodo a través de un sistema de drenaje por mecha. Podía ser utilizada como agua potable por los astronautas.

En el campo de las pilas de combustible de media temperatura, el desarrollo de los electrodos y de las bateríaspilas fue impulsado decisivamente por los innovadores trabajos de Bacon. Este científico desarrolló una pila de combustible hidrógeno-oxígeno con electrodos de doble capa sintetizados de níquel-carbonilo. Los ánodos de hidrógeno de estas pilas se impregnaban de sales de níquel y se reducían, sometiéndolos a una corriente de hidrógeno, hasta alcanzar la actividad catalítica deseada. Los cátodos de oxígeno se impregnaban con litio y se preoxidaban. Como resultado de ello se obtenía un óxido de níquel semiconductor que se caracterizaba por una elevada actividad catalítica y por una buena resistencia a la corrosión.

Este sistema se empleó también, de forma modificada, en el proyecto Apolo.

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PILAS DE ALTAS TEMPERATURAS

La conversión directa de hidrocarburos en energía eléctrica en instalaciones estacionarias de gran potencia ofrece ventajas considerables. Las altas temperaturas permiten que las reacciones que tienen lugar en los electrodos, inhibidas en parte cinéticamente por las temperaturas reducidas, se desarrollen a mayor velocidad. Además, a altas temperaturas, disminuye considerablemente la propensión al envenenamiento de los catalizadores. A temperaturas de 550°C a 750°C se trabaja con electrólitos formados por carbonatos fundidos.

A temperaturas comprendidas entre 800°C y 1000°C se utilizan electrólitos sólidos de dióxido de circonio-óxido de calcio, pues éstos presentan una buena conductividad iónica a temperaturas elevadas.

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Sección de una pila de alta temperatura con electrolito sólido.

2. OBTENCIÓN DE TENSIÓN ELEVADA

El desarrollo de un buen electrodo es sólo un pequeño paso en el camino que conduce a una pila de combustible independiente. Los problemas aumentan todavía cuando se pasa de una pila independiente a una batería con su complejo sistema de gestión del agua, de control de la temperatura y de evacuación de los gases inertes. En los electrodos porosos no se transforman gases como, por ejemplo, el nitrógeno o los gases nobles, por lo que éstos deben eliminarse periódicamente.

Uno de los inconvenientes de las pilas de combustible es que sólo pueden suministrar una tensión pequeña, de aproximadamente 1 V, y una corriente cuya intensidad depende del tamaño de los electrodos y de la calidad de los catalizadores. Sin embargo, actualmente ya se alcanzan densidades de corriente de 250 a 400 mA/cm con electrodos no aglomerados obtenidos por sedimentación

Para alcanzar una tensión elevada deben conectarse las pilas en serie y a fin de aumentar la intensidad de la corriente han de conectarse en paralelo, tal como está representado en las figuras 12 a y b.

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APÉNDICE

0. SÍMBOLOS Y UNIDADES EMPLEADOS

• AAfinidad
• A Amper
• A h Amper – hora
• A S Amper – segundo
• e- Electrón
• E Fuerza electromotriz f.e.m.
• F 1 Faraday = 96487 C/equivalente-gramo, 96487
• A s/mol = 26,802 A h/mol = 23045 cal/V mol
• ∆ G Entalpía libre de reacción
• h Hora
• H Entalpía
• ∆ H Entalpía de reacción
• i Densidad de corriente
• I Intensidad de corriente
• J Julio: unidad de energía, trabajo y cantidad de calor,
• 1 J = 1 Nm = 1 Ws = 1 kgm2/s2
• mol Peso molecular expresado en gramos (g)
• (mol: unidad SI para la cantidad de materia)
• n Número de equivalente de electroquímicos
• h (Carnot) Rendimiento en centrales térmicas, viene limitado por el
• rendimiento del ciclo de Carnot
• h term Rendimiento termodinámico
• R Constante universal de los gases perfectos,
• R = 8,315 W s mol-1 K-1
• s Segundo
• S Entropía
• ∆S Entropía de reacción
• T Temperatura absoluta (temperatura Kelvin)
• 0°C = 273,16 °K
• Ut Tensión calculada teóricamente
• Uo Tensión en vacío o reposo
• Ua Tensión de servicio
• h Sobretensión o polarización

FUENTES CONSULTADAS

• CONSTITUCION Y FUNCIONAMIENTO DE LAS PILAS DE COMBUSTIBLE, Siemens Aktiengesellsehaft, Berlin y Munich & Macombo S.A.
• CENTRO DE INVESTIGACIÓN DE ENERGÍA SCHATZ, Tacoma, Washington, EE.UU.
• CELDAS DE COMBUSTIBLE 2000 – Instituto de Investigaciones Eléctricas, Temixco, Morelos, México
• MICROSOFT ENCARTA 2001,
• NATIONAL MUSEUM OF AMERICAN HISTORY Fuel Cell History Project Washington, DC 20560-0631

Ing Eduardo H. D’Elía