Carlos Asteasu es Doctor Ingeniero Industrial por la Universidad
del País Vasco. Lleva trabajando en el desarrollo de pilas de
combustible desde el año 2000. En este artículo explica en que
consiste y que futuro le aguarda a esta tecnología.
E
n 1800 se comenzó a trabajar en la po-sibilidad de convertir la energía quími-ca en eléctriquími-ca, así es como se fabriquími-caron las primeras pilas voltaicas o generadores electroquímicos. Las pilas secas conven-cionales de la actualidad son herederas de este primer avance. El problema de este tipo de generadores es que no puede vol-ver a cargarse de combustible.En 1838 el químico Cristian Friedrich Scönbein descubrió la ELECTRÓLISIS IN-VERSA y de esta forma se abrió el camino hacia las BATERÍAS DE GAS. La primera gran solución utilizando esta tecnología fue la pila de Daniell, la primera pila húmeda. Su funcionamiento es bien conocido, tene-mos dos polos sumergidos en una solución de ácido, la reacción química provocada en el proceso genera electricidad. Por desgra-cia la pila de Daniell emite NO2, un gas tóxico. En 1844 la pila de Grove deja obso-leta a la pila de Daniell gracias a que produ-ce mayor corriente y voltaje, aunque sigue manteniendo el problema de las emisiones
de NO2.
En 1859 Gaston Planté crea el primer acumulador eléctrico, la primera batería recargable. Su diseño se sustancia en un ánodo de plomo y un cátodo de dióxido de plomo sumergidos en ácido sulfúrico. La ventaja de ser recargable quedaba eclipsa-da por su gran volumen y peso en relación con la energía que podía almacenar.
Mientras tanto se investigaba en otras
formas de generar energía. Quemar cual-quier tipo de sustancia que contuviera carbono seguía siendo un recurso cómo-do, accesible y económico. Siguiendo este camino Alphonse Beau de Rochas patentó en 1861 el primer motor de cuatro tiem-pos. Aunque el paso más significativo en este campo lo dio Karl Benz, con la pri-La nueva oferta de membranas semipermeables puede
ser el elemento que haga que las pilas de combustible bajen drásticamente de precio.
¿Solución o quimera?
Texto: Carlos Asteasu • Fotos: Txetxu Calleja
En la actualidad Audi, Honda y Toyota, entre otros, ofrecen coches propulsados por pilas de combustible. Mercedes-Benz es uno de los fabricantes líderes en vehículos comerciales y Renault Trucks es el primer constructor de vehículos industriales que ha presentado un camión equipado con este tipo de propulsión eléctrica.
LA PILA DE COMBUSTIBLE
mera patente de automóvil propulsado por medio de un motor de combustión interna, en 1886.
Sin embargo la electricidad seguía siendo una alternativa muy viable y su utilización por medio de “contenedores transportables” tubo uno de sus mayores éxitos cuando en 1888 Isaac Peral utilizó una batería muy simi-lar a la pila de Gaston Planté para propulsar mediante 30 CV a su primer “sumergible”.
En 1889 apareció la primera PILA DE COMBUSTIBLE con sus correspondientes electrodos, electrolito y agentes reductores y oxidantes. En 1899 Nernst desarrolla la PILA DE COMBUSTIBLE CERÁMICA. Aque-llos generadores usaban electrolitos sólidos, ZrO2 –zirconita o diamante de los pobres-, hidrógeno o CO2 como combustible, aire como oxidante y alcanzaban los 1.000 ºC de temperatura en pleno proceso de genera-ción de electricidad. En 1955 llegaron las pi-las alcalinas, este pequeño invento fue funda-mental para el éxito de las misiones Apolo. Y, por fin, en 1970 Du Pont produce la primera membrana Nafión®. Esta barrera semiper-meable es la base de las diferentes pilas de combustible que hoy podemos encontrar en el mercado.
FUNCIONAMIENTO
¿Qué es lo que diferencia a las BATERÍAS CONVENCIONALES de las PILAS DE COMBUSTIBLE? Las primeras son acumu-ladores de energía que terminan por ago-tarse. Las PILAS DE COMBUSTIBLE, por el contrario, siguen generando energía eléctrica siempre que mantengamos el suministro de combustible y oxidante a los electrodos. Su funcionamiento se basa en invertir el proce-so de la electrólisis. Que como todos hemos visto en alguna ocasión, se produce cuando sumergimos dos cables unidos a los extre-mos de una batería en una disolución de agua salada. Lo que sucede es que la ener-gía eléctrica rompe las moléculas de agua (H2O) separando el oxígeno del hidrógeno.
La PILA DE COMBUSTIBLE, por el con-trario, une hidrógeno y oxígeno para formar agua y entregarnos energía limpia en for-ma de electricidad. Lo que sucede es que si ponemos en contacto el hidrógeno con el oxígeno no se produce ninguna reacción, simplemente se mezclarán. Solamente si ha-cemos saltar una chispa dentro de la mezcla se produciría una reacción térmica, utilizable en un motor de explosión. La energía ge-nerada por el caro hidrógeno tendría como consecuencia no deseada la producción de NOx.
La solución está en la MONOCELDA. Este pequeño sándwich está compuesto por dos
electrodos porosos separados por el elec-trolito y la membrana. El hidrógeno (H2) en-tra por el electrodo negativo –ánodo- y en presencia del catalizador se convierte en dos iones de H+ más electrones. En el otro
ex-tremo, el cátodo, el oxigeno sufre la reacción contraria. El resultado es que el hidrógeno sin electrones –cargado positivamente- se une al oxígeno –cargado negativamente- formando H2O –agua-. Como consecuencia añadida, al unir el ánodo con el cátodo
hare-mos circular una corriente eléctrica. Cada una de estas MONOCELDAS pro-ducen 0,6 V y se agrupan en conjuntos de 150 unidades que se denominan pilas. Diez pilas suministran 250 Kw (400 CV).
Lo cierto es que no es necesario utilizar hidrógeno puro como combustible. También es posible emplear el hidrógeno que se en-cuentra dentro de las moléculas de otros combustibles derivados del petróleo, el me-tanol o gases como eme-tanol, los GLP –Gases Utilizar pilas de combustible, como método para alimentar a nuestros vehículos, hará que los fabricantes tengan que rediseñar por completo su estética.
Licuados del Petróleo- o el gas natural/me-tano. Dependiendo del tipo de electrolito y del combustible a utilizar estaremos ante un tipo u otro de pila de combustible.
TIPOS DE PILAS
La PILA DE COMBUSTIBLE de MEMBRA-NA POLIMÉRICA (PEMFC) es la que ac-tualmente se está utilizando en el mundo de la automoción. Tiene como grandes ven-tajas su tamaño y, sobre todo, que trabaja a baja temperatura (60/100 ºC). Este tipo de dispositivo usa hidrógeno reformado como combustible. El reformado por vapor es un método de producción de hidrógeno a partir de hidrocarburos, normalmente gas natural. El hidrógeno así producido alcanza cerca del 75 % de pureza y se denomina Gas de Síntesis. Buena parte del resto es CO. Es imprescindible reducir el CO, con-vertirlo en CO2, dado que el CO envene-na las membraenvene-nas de las pilas PEMFC. El electrolito utilizado por las PEMFC es sóli-do. Este producto parecido al teflón tiene una larga vida dado que no se evapora. En este tipo de celda es muy importante
con-trolar la hidratación de la membrana. Para este proceso se utiliza el agua que genera la propia producción de electricidad. En el caso de que la membrana se deshidrate acabará por agrietarse y se producirá un sobrecalentamiento que dañará al dispo-sitivo. En el caso contrario, se inundará la celda y se detendrá la reacción.
En la actualidad se fabrican pilas que pueden producir 191 Kw (260 CV) por m3,
aunque se prevé que en corto espacio de tiempo se pueda llegar a alcanzar los 500 Kw (780 CV) por m3. Su temperatura
óp-tima de trabajo se alcanza en poco más de tres minutos y tiene una vida útil estimada de unas 50.000 horas. Los motores tér-micos utilizados por los turismos actuales llegan a alcanzar las 2.500 horas, mientras que los propulsores de los camiones pue-den trabajar hasta 25.000 horas.
La PILA DE METANOL DIRECTO (DMFC) utiliza un tipo de electrolito só-lido similar al que emplea la celda PEMFC. Su principal virtud es que utiliza metanol como combustible, que al encontrarse en estado líquido resulta ser más manejable y
con mayor densidad energética que el hi-drógeno. El inconveniente que hace que no se utilice la pila DMFC en el mundo de la Renault Trucks es el primer fabricante que nos ha presentado un camión impulsado mediante pila de combustible.
El 1993 se comercializó el primer vehículo con pila de combustible, el Ballard canadiense. Volkswagen recientemente ha adquirido las patentes del Ballard por cerca de 80 millones de dólares.
LA PILA DE COMBUSTIBLE
Carlos Asteasu: “La humanidad necesita encontrar una energía limpia, eficiente y descentralizada. De momento el petróleo sigue siendo la alternativa más eficiente, aunque es de esperar que pueda ser sustituido por combustibles menos agresivos con el medio ambiente como: el vehículo eléctrico con baterías recargables o pila de hidrógeno; o bien híbridos en los que se combine la combustión interna con la electricidad.”
automoción es su gran volumen. Podríamos decir que las celdas DMFC triplican en vo-lumen a las del tipo PEMFC produciendo la mitad de energía.
La PILA ALCALINA (AFC) se utilizó en los años 60 para abastecer de electricidad y agua a las naves espaciales. El electrolito que utiliza es líquido, concretamente hi-dróxido de potasio diluido, para los cata-lizadores echa mano de una gran variedad de metales no preciosos. Este tipo de celda necesita utilizar hidrógeno prácticamente puro, sin ningún rastro de CO ni de CO2. Como solución muchas de las pilas AFC utilizan amoniaco como elemento provee-dor de hidrógeno. Dada su baja temperatu-ra de opetemperatu-ración ha sido utilizada en vehí-culos como el “Silver Volt Electric Car” de
1969. Su eficacia ronda el 60%, lo que su-pone superar ampliamente en rendimiento a cualquier motor térmico.
La PILA DE ÁCIDO FOSFÓRICO (PAFC) está comprendida en el grupo de celdas de combustión denominadas de baja temperatura, como las PEMFC, las DMFC y las AFC, ya que su temperatura de trabajo es inferior a los 200 ºC. Este tipo de me-canismo puede utilizar como combustible diversos tipos de hidrocarburos o biogás. En relación con las PEMFC hay que decir que tolera mejor las impurezas del com-bustible. Este tipo de pila es voluminosa y generalmente es utilizada para alimentar grandes edificios.
Se comenzó a investigar en las PILAS DE CARBONATOS FUNDIDOS (MCFC) con la intención de utilizar carbón como com-bustible. El carbón ha resultado no ser el mejor suministrador de hidrógeno para las MCFC. Su relevo lo han tomado los GLP Los técnicos, como el Doctor Asteasu, piensan que la pila tipo PEMFC –membrana polimérica- es la que tiene más posibilidad de ser utilizada en el campo de la automoción. La razón es que trabaja a baja temperatura y no son muy voluminosas.
La pila de combustible se asemeja a un sándwich. La parte exterior la forman el ánodo H+ y el cátodo O-.La parte interior está compuesta por la membrana y el electrolito.
Al unirse las dos rebanadas del sándwich los electrones pasan a través del cable creando corriente eléctrica, mientras que atravesando la membrana pasa el oxígeno o el hidrógeno para unirse y formar agua.
Celda
Stack o
apilamiento
–Gases Licuados del Petróleo- y el Gas Na-tural. Este tipo de celda fue probada por Braur y Preis en 1937, lo que supone que es una de las más desarrolladas. Otra de sus ventajas es que dada su alta tempera-tura de operación (600/1.000 ºC) puede utilizarse para cogenerar energía mediante una turbina de gas.
Por último, la PILA DE ÓXIDO SÓLIDO (SOFC) utiliza un electrolito cerámico que al ser sólido no tiene problemas de
eva-poración. Como su temperatura de traba-jo es muy alta (600/1.000 ºC), puede usar cualquier tipo de combustible para generar hidrógeno reformado y además utilizar el calor sobrante para generar electricidad por cogeneración.
En lo referente al coste que supone la tecnología PILA DE COMBUSTIBLE, hay que decir que puede estar por debajo de los 25 € el Kw, siendo posible que baje drásticamente su coste en los próximos
años. La razón para ser optimistas es que el precio de la membrana cada vez es menor. La membrana Nafión® tienen un coste de unos 400 €/m3, aunque en la actualidad hay
alternativas con precios de hasta 4 €/m3 .
Para terminar decir que podemos en-contrar ya vehículos en el mercado que utilizan celdas PEMFC que alcanzan los 150 km/h y que superan los 300 km de auto-nomía.
TIPO COMBUSTIBLE ELECTROLITO CATALIZADOR DE OPERACIÓNTEMPERATURA EfICACIA TéRMICA USO VENTAJAS INCONVENIENTES
MEMBRANA POLIMéRICA (PEMfC) Proton Exchange Membrane fuel Cell
Hidrógeno Polímero sólido Platino 60-100 ºC 40/60%
Generación estática Dispositivos portátiles Vehículos El electrolito sólido reduce la corrosión y facilita el mantenimiento del dispositivo Alto rendimiento eléctrico Baja temperatura de trabajo Necesita poco tiempo para alcanzar la temperatura idónea de trabajo Catalizadores costosos Precisa de combustibles muy puros METANOL DIRECTO (DMfC) Direct Mehanol fuel Cell
Metanol Polímero sólido Platino 60-100 ºC 40%
Generación estática Dispositivos portátiles Vehículos Usa combustible líquido (su uso es más simple y tiene mayor densidad energética) Reforma el hidrógeno directamente en el interior de la pila de combustible El metano atraviesa el electrólito sin reaccionar en ocasiones. (se pierde
metano) Baja densidad energética Su tamaño: (triple tamaño
que una pila tipo PEMfC para producir la mitad
de energía) ALCALINA (AfC) Alkaline fuel Cell Amoniaco Hidrógeno Solución acuosa de hidróxido de potasio Metales no preciosos 70-120 ºC 60/70% Tecnología espacial Tecnología militar Reacción catódica rápida Su eficacia Precisa de combustibles muy puros Su eficacia disminuye rápidamente con el paso del tiempo
ÁCIDO fOSfÓRICO (PAfC) Phosphoric Acid feul Cell
Gas natural
Hidrógeno fosfóricoÁcido
Platino sobre base de carbono 175-200 ºC 32/42% Generación estática Dispositivos portátiles 85% de eficacia en cogeneración de electricidad y calor Admite hidrógeno con impurezas como combustible Bajo voltaje y potencia Voluminosa y pesada CARBONATOS fUNDIDOS (MCfC) Molten Carbonate fuel Cell Carbón GLP Sal de carbonato fundido El mismo material de los electrodos (Níquel) 600-1.000 ºC 50/60% Generación estática Alta temperatura de trabajo Su eficacia Catalizadores baratos Se corroe rápidamente debido a su alta temperatura de trabajo Limitada vida útil
ÓXIDO SÓLIDO (SOfC) Solid Oxide fuel Cell Hidrógeno Metano Óxido de Zirconio sólido con adicciones de Itrio El mismo material de los electrodos (Níquel y otros) 600-1.000 ºC 50/60% Generación estática Alta temperatura de trabajo El electrolito sólido reduce la corrosión y facilita el mantenimiento del dispositivo Robustez Se corroe rápidamente debido a su alta temperatura de trabajo Limitada vida útil Estrés térmico en los
arranques/paradas
