Pila de combustible

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Dispositivo que convierte la energía química de un combustible en electricidad.

Para otros usos, consulte Pila de combustible (desambiguación) .

Modelo de demostración de una celda de combustible de metanol directo (cubo de capas negras) en su recinto.

Esquema de una pila de combustible conductora de protones.

Una celda de combustible es una celda electroquímica que convierte la energía química de un combustible (a menudo hidrógeno ) y un agente oxidante (a menudo oxígeno ^[1] ) en electricidad a través de un par de reacciones redox . ^[2] Las celdas de combustible se diferencian de la mayoría de las baterías en que requieren una fuente continua de combustible y oxígeno (generalmente del aire) para mantener la reacción química, mientras que en una batería la energía química generalmente proviene de metales y sus iones u óxidos ^[3] que comúnmente ya están presentes en la batería, excepto en las baterías de flujo. Las pilas de combustible pueden producir electricidad de forma continua mientras se suministre combustible y oxígeno.

Las primeras pilas de combustible fueron inventadas por Sir William Grove en 1838. El primer uso comercial de las pilas de combustible se produjo más de un siglo después, tras la invención de la pila de combustible de hidrógeno y oxígeno por Francis Thomas Bacon en 1932. La pila de combustible alcalina , también conocida como la pila de combustible Bacon en honor a su inventor, se ha utilizado en los programas espaciales de la NASA desde mediados de la década de 1960 para generar energía para satélites y cápsulas espaciales . Desde entonces, las pilas de combustible se han utilizado en muchas otras aplicaciones. Las pilas de combustible se utilizan como energía primaria y de respaldo para edificios comerciales, industriales y residenciales y en áreas remotas o inaccesibles. También se utilizan para impulsar vehículos de pila de combustible., incluidos montacargas, automóviles, autobuses, barcos, motocicletas y submarinos.

Hay muchos tipos de pilas de combustible, pero todas consisten en un ánodo , un cátodo y un electrolito que permite que los iones, a menudo iones de hidrógeno cargados positivamente (protones), se muevan entre los dos lados de la pila de combustible. En el ánodo, un catalizador hace que el combustible experimente reacciones de oxidación que generan iones (a menudo iones de hidrógeno cargados positivamente) y electrones. Los iones se mueven del ánodo al cátodo a través del electrolito. Al mismo tiempo, los electrones fluyen del ánodo al cátodo a través de un circuito externo, produciendo corriente continua.electricidad. En el cátodo, otro catalizador hace que reaccionen iones, electrones y oxígeno, formando agua y posiblemente otros productos. Las celdas de combustible se clasifican por el tipo de electrolito que utilizan y por la diferencia en el tiempo de inicio que va desde 1 segundo para las celdas de combustible de membrana de intercambio de protones (celdas de combustible PEM o PEMFC) a 10 minutos para las celdas de combustible de óxido sólido (SOFC). Una tecnología relacionada son las baterías de flujo , en las que el combustible se puede regenerar mediante la recarga. Las celdas de combustible individuales producen potenciales eléctricos relativamente pequeños, alrededor de 0,7 voltios, por lo que las celdas se "apilan" o se colocan en serie para crear suficiente voltaje para cumplir con los requisitos de una aplicación. ^[4]Además de electricidad, las pilas de combustible producen agua, calor y, según la fuente de combustible, cantidades muy pequeñas de dióxido de nitrógeno y otras emisiones. La eficiencia energética de una pila de combustible se sitúa generalmente entre el 40 y el 60%; sin embargo, si el calor residual se captura en un esquema de cogeneración , se pueden obtener eficiencias de hasta el 85%. ^[5]

El mercado de las pilas de combustible está creciendo y, en 2013, Pike Research estimó que el mercado de las pilas de combustible estacionarias alcanzará los 50 GW en 2020. ^[6]

Historia

Artículo principal: Cronología de las tecnologías de hidrógeno

Boceto de la celda de combustible de 1839 de Sir William Grove

Las primeras referencias a las pilas de combustible de hidrógeno aparecieron en 1838. En una carta fechada en octubre de 1838 pero publicada en la edición de diciembre de 1838 de The London and Edinburgh Philosophical Magazine and Journal of Science , el físico y abogado galés Sir William Grove escribió sobre el desarrollo de su primera pilas de combustible crudo. Usó una combinación de planchas de hierro, cobre y porcelana, y una solución de sulfato de cobre y ácido diluido. ^{[7] [8]} En una carta a la misma publicación escrita en diciembre de 1838 pero publicada en junio de 1839, el físico alemán Christian Friedrich Schönbein discutió la primera pila de combustible cruda que había inventado. Su carta discutió la corriente generada a partir de hidrógeno y oxígeno disueltos en agua.^[9] Grove posteriormente bosquejó su diseño, en 1842, en la misma revista. La celda de combustible que hizo utilizó materiales similares a la celda de combustible de ácido fosfórico actual. ^{[10] [11]}

En 1932, Francis Thomas Bacon inventó una pila de combustible que derivaba energía del hidrógeno y el oxígeno. Esto fue utilizado por la NASA para encender luces, aire acondicionado y comunicaciones.

Los británicos que reforzaron los aterrizajes en la Luna, Archivos de la BBC . ^[12]

En 1932, el ingeniero inglés Francis Thomas Bacon desarrolló con éxito una pila de combustible estacionaria de 5 kW. ^[12] La pila de combustible alcalina (AFC), también conocida como pila de combustible Bacon en honor a su inventor, es una de las tecnologías de pila de combustible más desarrolladas, que la NASA ha utilizado desde mediados de la década de 1960. ^{[12] [13]}

En 1955, W. Thomas Grubb, un químico que trabajaba para General Electric Company (GE), modificó aún más el diseño original de la celda de combustible utilizando una membrana de intercambio iónico de poliestireno sulfonado como electrolito. Tres años más tarde, otro químico de GE, Leonard Niedrach, ideó una forma de depositar platino en la membrana, que sirvió como catalizador para las reacciones necesarias de oxidación de hidrógeno y reducción de oxígeno. Esto se conoció como la "pila de combustible Grubb-Niedrach". ^{[14] [15]} GE pasó a desarrollar esta tecnología con la NASA y McDonnell Aircraft, lo que llevó a su uso durante el Proyecto Gemini . Este fue el primer uso comercial de una pila de combustible. En 1959, un equipo dirigido por Harry Ihrig construyó un tractor de pila de combustible de 15 kW para Allis-Chalmers., que se demostró en todo Estados Unidos en ferias estatales. Este sistema utilizó hidróxido de potasio como electrolito e hidrógeno y oxígeno comprimidos como reactivos. Más tarde, en 1959, Bacon y sus colegas demostraron una unidad práctica de cinco kilovatios capaz de alimentar una máquina de soldar. En la década de 1960, Pratt & Whitney obtuvo la licencia de las patentes estadounidenses de Bacon para su uso en el programa espacial estadounidense para suministrar electricidad y agua potable (el hidrógeno y el oxígeno están fácilmente disponibles en los tanques de las naves espaciales). En 1991, Roger Billings desarrolló el primer automóvil con pila de combustible de hidrógeno . ^{[16] [17]}

UTC Power fue la primera compañía en fabricar y comercializar un sistema de pila de combustible grande y estacionario, para su uso como co-generación de la planta de energía en hospitales, universidades y grandes edificios de oficinas. ^[18]

En reconocimiento de la industria de las pilas de combustible y el papel de Estados Unidos en el desarrollo de las pilas de combustible, el Senado de los Estados Unidos reconoció el 8 de octubre de 2015 como el Día Nacional del Hidrógeno y las Pilas de Combustible , aprobando la S. RES 217. La fecha se eligió en reconocimiento del peso atómico del hidrógeno (1.008 ). ^[19]

Tipos de pilas de combustible; diseño

Las pilas de combustible vienen en muchas variedades; sin embargo, todos funcionan de la misma manera general. Están formados por tres segmentos adyacentes: el ánodo , el electrolito y el cátodo . Se producen dos reacciones químicas en las interfaces de los tres segmentos diferentes. El resultado neto de las dos reacciones es que se consume combustible, se crea agua o dióxido de carbono y se crea una corriente eléctrica, que se puede utilizar para alimentar dispositivos eléctricos, normalmente denominados carga.

En el ánodo, un catalizador oxida el combustible, generalmente hidrógeno, convirtiendo el combustible en un ion cargado positivamente y un electrón cargado negativamente. El electrolito es una sustancia diseñada específicamente para que los iones puedan pasar a través de él, pero los electrones no. Los electrones liberados viajan a través de un cable creando la corriente eléctrica. Los iones viajan a través del electrolito hasta el cátodo. Una vez que llegan al cátodo, los iones se reúnen con los electrones y los dos reaccionan con un tercer químico, generalmente oxígeno, para crear agua o dióxido de carbono.

Un diagrama de bloques de una celda de combustible.

Las características de diseño de una celda de combustible incluyen:

• La sustancia electrolítica, que generalmente define el tipo de pila de combustible, y puede estar hecha de varias sustancias como hidróxido de potasio, carbonatos de sal y ácido fosfórico. ^[20]
• El combustible que se utiliza. El combustible más común es el hidrógeno.
• El catalizador del ánodo, generalmente un polvo fino de platino, descompone el combustible en electrones e iones.
• El catalizador de cátodo, a menudo níquel, convierte los iones en productos químicos de desecho, siendo el agua el tipo de desecho más común. ^[21]
• Capas de difusión de gas diseñadas para resistir la oxidación. ^[21]

Una pila de combustible típica produce un voltaje de 0,6 a 0,7 V a plena carga nominal. El voltaje disminuye a medida que aumenta la corriente, debido a varios factores:

• Pérdida de activación
• Pérdida óhmica ( caída de voltaje debido a la resistencia de los componentes e interconexiones de la celda)
• Pérdida de transporte de masa (agotamiento de los reactivos en los sitios del catalizador bajo cargas elevadas, lo que provoca una rápida pérdida de voltaje). ^[22]

Para entregar la cantidad deseada de energía, las celdas de combustible se pueden combinar en serie para producir un voltaje más alto y en paralelo para permitir que se suministre una corriente más alta . Este diseño se denomina pila de pilas de combustible . El área de la superficie de la celda también se puede aumentar para permitir una mayor corriente de cada celda.

Pilas de combustible de membrana de intercambio de protones (PEMFC)

Artículo principal: celda de combustible de membrana de intercambio de protones

Construcción de un PEMFC de alta temperatura : placa bipolar como electrodo con estructura de canal de gas en molienda, fabricada a partir de compuestos conductores (mejorados con grafito , negro de humo , fibra de carbono y / o nanotubos de carbono para una mayor conductividad); ^[23] Papeles de carbón porosos ; capa reactiva, normalmente sobre la membrana de polímero aplicada; membrana de polímero.

Condensación de agua producida por un PEMFC en la pared del canal de aire. El alambre dorado alrededor de la celda asegura la recolección de corriente eléctrica. ^[24]

Micrografía SEM de una sección transversal de PEMFC MEA con un cátodo de catalizador de metal no precioso y un ánodo de Pt / C. ^[25] Se aplicaron colores falsos para mayor claridad.

En el diseño arquetípico de celda de combustible de membrana de intercambio de protones de óxido de hidrógeno , una membrana de polímero conductor de protones (típicamente nafión ) contiene la solución de electrolito que separa los lados del ánodo y del cátodo . ^{[26] [27]} Esto se denominó celda de combustible de electrolito de polímero sólido ( SPEFC ) a principios de la década de 1970, antes de que se entendiera bien el mecanismo de intercambio de protones. (Observe que los sinónimos de membrana de electrolito polimérico y mecanismo de intercambio de protones dan como resultado el mismo acrónimo ).

En el lado del ánodo, el hidrógeno se difunde al catalizador del ánodo donde luego se disocia en protones y electrones. Estos protones a menudo reaccionan con oxidantes y hacen que se conviertan en lo que comúnmente se conoce como membranas de protones de facilitación múltiple. Los protones se conducen a través de la membrana hasta el cátodo, pero los electrones se ven obligados a viajar en un circuito externo (suministrando energía) porque la membrana es eléctricamente aislante. En el catalizador de cátodo, las moléculas de oxígeno reaccionan con los electrones (que han viajado a través del circuito externo) y los protones para formar agua.

Además de este tipo de hidrógeno puro, hay hidrocarburos combustibles para celdas de combustible, incluyendo diesel , metanol ( ver: células de combustible de metanol directo y células de combustible de metanol indirectos ) e hidruros químicos. Los productos de desecho con este tipo de combustible son el dióxido de carbono y el agua. Cuando se usa hidrógeno, el CO ₂ se libera cuando el metano del gas natural se combina con vapor, en un proceso llamado reformado con vapor de metano , para producir el hidrógeno. Esto puede tener lugar en una ubicación diferente a la celda de combustible, lo que potencialmente permite que la celda de combustible de hidrógeno se use en interiores, por ejemplo, en carretillas elevadoras.

Los diferentes componentes de un PEMFC son

1. placas bipolares,
2. electrodos ,
3. catalizador ,
4. membrana, y
5. el hardware necesario como colectores de corriente y juntas. ^[28]

Los materiales utilizados para las diferentes partes de las pilas de combustible difieren según el tipo. Las placas bipolares pueden estar hechas de diferentes tipos de materiales, como metal, metal recubierto, grafito , grafito flexible, compuesto C – C , compuestos carbono - polímero , etc. ^[29] El conjunto de electrodos de membrana (MEA) se conoce como el corazón del PEMFC y generalmente está hecho de una membrana de intercambio de protones intercalada entre dos papeles de carbón recubiertos con catalizador . El platino y / o un tipo similar de metales nobles se utilizan generalmente como catalizador para PEMFC. El electrolito podría ser una membrana de polímero .

Problemas de diseño de celdas de combustible de membrana de intercambio de protones

Costo

En 2013, el Departamento de Energía estimó que se podrían lograr costos de sistemas de celdas de combustible automotrices de 80 kW de US $ 67 por kilovatio, asumiendo que se podría lograr una producción en volumen de 100,000 unidades automotrices por año y US $ 55 por kilovatio, asumiendo una producción en volumen de 500,000 unidades. por año. ^[30] Muchas empresas están trabajando en técnicas para reducir costos de diversas formas, incluida la reducción de la cantidad de platino necesaria en cada celda individual. Ballard Power Systems ha experimentado con un catalizador mejorado con seda de carbono, que permite una reducción del 30% (1,0–0,7 mg / cm ² ) en el uso de platino sin reducir el rendimiento. ^[31] Universidad de Monash , Melbourneutiliza PEDOT como cátodo . ^[32] Un estudio publicado en 2011 ^[33] documentó el primer electrocatalizador libre de metales que utiliza nanotubos de carbono dopados relativamente económicos , que cuestan menos del 1% del costo del platino y tienen un rendimiento igual o superior. Un artículo publicado recientemente demostró cómo cambian las cargas ambientales cuando se utilizan nanotubos de carbono como sustrato de carbono para el platino. ^[34]

Gestión del agua y el aire ^{[35] [36]} (en PEMFC)

En este tipo de pila de combustible, la membrana debe hidratarse, lo que requiere que el agua se evapore exactamente a la misma velocidad a la que se produce. Si el agua se evapora demasiado rápido, la membrana se seca, aumenta la resistencia a través de ella y eventualmente se agrietará, creando un "cortocircuito" de gas donde el hidrógeno y el oxígeno se combinan directamente, generando calor que dañará la celda de combustible. Si el agua se evapora demasiado lentamente, los electrodos se inundarán, evitando que los reactivos lleguen al catalizador y detengan la reacción. Se están desarrollando métodos para gestionar el agua en las células, como bombas electroosmóticas que se centran en el control del flujo. Al igual que en un motor de combustión, es necesaria una relación constante entre el reactivo y el oxígeno para mantener la celda de combustible funcionando de manera eficiente.

Manejo de temperatura

Se debe mantener la misma temperatura en toda la celda para evitar la destrucción de la celda por carga térmica . Esto es particularmente desafiante ya que la reacción 2H ₂ + O ₂ → 2H ₂ O es altamente exotérmica, por lo que se genera una gran cantidad de calor dentro de la celda de combustible.

Durabilidad, vida útil y requisitos especiales para algunos tipos de celdas

Las aplicaciones de celdas de combustible estacionarias generalmente requieren más de 40,000 horas de operación confiable a una temperatura de -35 ° C a 40 ° C (-31 ° F a 104 ° F), mientras que las celdas de combustible automotrices requieren una vida útil de 5,000 horas (el equivalente a 240.000 km (150.000 mi)) bajo temperaturas extremas. La vida útil actual es de 2.500 horas (aproximadamente 75.000 millas). ^[37] Los motores de automoción también deben poder arrancar de forma fiable a −30 ° C (−22 ° F) y tener una alta relación potencia-volumen (normalmente 2,5 kW / L).

Tolerancia limitada al monóxido de carbono de algunos cátodos (no PEDOT)

Pila de combustible de ácido fosfórico (PAFC)

Artículo principal: pila de combustible de ácido fosfórico

Las pilas de combustible de ácido fosfórico (PAFC) fueron diseñadas e introducidas por primera vez en 1961 por GV Elmore y HA Tanner . En estas celdas, el ácido fosfórico se usa como electrolito no conductor para pasar iones de hidrógeno positivos del ánodo al cátodo. Estas células suelen trabajar a temperaturas de 150 a 200 grados centígrados. Esta alta temperatura causará pérdida de calor y energía si el calor no se quita y se usa correctamente. Este calor se puede utilizar para producir vapor para sistemas de aire acondicionado o cualquier otro sistema de consumo de energía térmica. ^{[38] El} uso de este calor en la cogeneración puede mejorar la eficiencia de las pilas de combustible de ácido fosfórico de un 40 a un 50% a aproximadamente un 80%. ^[38]El ácido fosfórico, el electrolito utilizado en los PAFC, es un ácido líquido no conductor que obliga a los electrones a viajar de ánodo a cátodo a través de un circuito eléctrico externo. Dado que la tasa de producción de iones de hidrógeno en el ánodo es pequeña, el platino se utiliza como catalizador para aumentar esta tasa de ionización. Una desventaja clave de estas celdas es el uso de un electrolito ácido. Esto aumenta la corrosión u oxidación de los componentes expuestos al ácido fosfórico. ^[39]

Pila de combustible de ácido sólido (SAFC)

Artículo principal: pila de combustible de ácido sólido

Las pilas de combustible de ácido sólido (SAFC) se caracterizan por el uso de un material ácido sólido como electrolito. A bajas temperaturas, los ácidos sólidos tienen una estructura molecular ordenada como la mayoría de las sales. A temperaturas más cálidas (entre 140 y 150  ° C para CsHSO ₄ ), algunos ácidos sólidos experimentan una transición de fase para convertirse en estructuras "superprotónicas" altamente desordenadas, lo que aumenta la conductividad en varios órdenes de magnitud. Los primeros SAFC de prueba de concepto se desarrollaron en 2000 utilizando hidrogenosulfato de cesio (CsHSO ₄ ). ^[40] Los sistemas actuales de SAFC utilizan dihidrogenofosfato de cesio (CsH ₂ PO ₄ ) y han demostrado una vida útil de miles de horas. ^[41]

Pila de combustible alcalina (AFC)

Artículos principales: celda de combustible alcalina y celda de combustible de membrana de intercambio aniónico alcalina

La pila de combustible alcalina o pila de combustible de hidrógeno-oxígeno fue diseñada y demostrada públicamente por Francis Thomas Bacon en 1959. Se utilizó como fuente primaria de energía eléctrica en el programa espacial Apolo. ^[42] La celda consta de dos electrodos de carbono poroso impregnados con un catalizador adecuado como Pt, Ag, CoO, etc. El espacio entre los dos electrodos se llena con una solución concentrada de KOH o NaOH que sirve como electrolito. H ₂ gas y O ₂el gas se burbujea en el electrolito a través de los electrodos de carbono poroso. Por tanto, la reacción global implica la combinación de gas hidrógeno y gas oxígeno para formar agua. La celda funciona continuamente hasta que se agota el suministro de reactivo. Este tipo de celda funciona de manera eficiente en el rango de temperatura de 343 a 413  K y proporciona un potencial de aproximadamente 0,9  V. ^[43] AAEMFC es un tipo de AFC que emplea un electrolito de polímero sólido en lugar de hidróxido de potasio acuoso (KOH) y es superior a AFC acuoso.

Pilas de combustible de alta temperatura

Pila de combustible de óxido sólido

Artículo principal: pila de combustible de óxido sólido

Las celdas de combustible de óxido sólido (SOFC) utilizan un material sólido, más comúnmente un material cerámico llamado zirconia estabilizada con itria (YSZ), como electrolito . Debido a que las SOFC están hechas completamente de materiales sólidos, no se limitan a la configuración de plano plano de otros tipos de celdas de combustible y, a menudo, están diseñadas como tubos enrollados. Requieren altas temperaturas de funcionamiento (800–1000 ° C) y pueden funcionar con una variedad de combustibles, incluido el gas natural. ^[5]

Las SOFC son únicas ya que en ellas, los iones de oxígeno cargados negativamente viajan desde el cátodo (lado positivo de la celda de combustible) al ánodo (lado negativo de la celda de combustible) en lugar de los iones de hidrógeno cargados positivamente que viajan desde el ánodo al cátodo, como es el caso de todos los demás tipos de pilas de combustible. El gas oxígeno se alimenta a través del cátodo, donde absorbe electrones para crear iones de oxígeno. Los iones de oxígeno luego viajan a través del electrolito para reaccionar con el gas hidrógeno en el ánodo. La reacción en el ánodo produce electricidad y agua como subproductos. El dióxido de carbono también puede ser un subproducto dependiendo del combustible, pero las emisiones de carbono de un sistema SOFC son menores que las de una planta de combustión de combustibles fósiles. ^[44]Las reacciones químicas del sistema SOFC se pueden expresar de la siguiente manera: ^[45]

Reacción del ánodo : 2H ₂ + 2O ²⁻ → 2H ₂ O + 4e ^-

Reacción del cátodo : O ₂ + 4e ^- → 2O ²⁻

Reacción celular general : 2H ₂ + O ₂ → 2H ₂ O

Los sistemas SOFC pueden funcionar con combustibles distintos del gas hidrógeno puro. Sin embargo, dado que el hidrógeno es necesario para las reacciones enumeradas anteriormente, el combustible seleccionado debe contener átomos de hidrógeno. Para que funcione la pila de combustible, el combustible debe convertirse en gas hidrógeno puro. Las SOFC son capaces de reformar internamente hidrocarburos ligeros como el metano (gas natural), ^[46] propano y butano. ^[47] Estas pilas de combustible se encuentran en una etapa temprana de desarrollo. ^[48]

Existen desafíos en los sistemas SOFC debido a sus altas temperaturas de funcionamiento. Uno de esos desafíos es la posibilidad de que se acumule polvo de carbono en el ánodo, lo que ralentiza el proceso de reforma interna. La investigación para abordar este problema de "coquización de carbono" en la Universidad de Pensilvania ha demostrado que el uso de cermet a base de cobre (materiales resistentes al calor hechos de cerámica y metal) puede reducir la coquización y la pérdida de rendimiento. ^[49]Otra desventaja de los sistemas SOFC es el tiempo de inicio lento, lo que hace que las SOFC sean menos útiles para las aplicaciones móviles. A pesar de estas desventajas, una temperatura de funcionamiento alta proporciona una ventaja al eliminar la necesidad de un catalizador de metal precioso como el platino, lo que reduce el costo. Además, el calor residual de los sistemas SOFC puede capturarse y reutilizarse, aumentando la eficiencia general teórica hasta un 80–85%. ^[5]

La alta temperatura de funcionamiento se debe en gran parte a las propiedades físicas del electrolito YSZ. A medida que la temperatura disminuye, también lo hace la conductividad iónica de YSZ. Por tanto, para obtener un rendimiento óptimo de la pila de combustible, se requiere una temperatura de funcionamiento elevada. Según su sitio web, Ceres Power , un fabricante de celdas de combustible SOFC del Reino Unido, ha desarrollado un método para reducir la temperatura de funcionamiento de su sistema SOFC a 500-600 grados Celsius. Reemplazaron el electrolito YSZ de uso común con un electrolito CGO (óxido de gadolinio y cerio). La temperatura de funcionamiento más baja les permite usar acero inoxidable en lugar de cerámica como sustrato de la celda, lo que reduce el costo y el tiempo de puesta en marcha del sistema. ^[50]

Pila de combustible de carbonato fundido (MCFC)

Artículo principal: pila de combustible de carbonato fundido

Las celdas de combustible de carbonato fundido (MCFC) requieren una temperatura de funcionamiento alta, 650 ° C (1200 ° F), similar a las SOFC . Los MCFC usan sal de carbonato de litio y potasio como electrolito, y esta sal se licua a altas temperaturas, lo que permite el movimiento de la carga dentro de la celda, en este caso, iones de carbonato negativos. ^[51]

Al igual que las SOFC, las MCFC son capaces de convertir el combustible fósil en un gas rico en hidrógeno en el ánodo, eliminando la necesidad de producir hidrógeno externamente. El proceso de reforma crea CO
2emisiones. Los combustibles compatibles con MCFC incluyen gas natural, biogás y gas producido a partir del carbón. El hidrógeno del gas reacciona con los iones de carbonato del electrolito para producir agua, dióxido de carbono, electrones y pequeñas cantidades de otras sustancias químicas. Los electrones viajan a través de un circuito externo creando electricidad y regresan al cátodo. Allí, el oxígeno del aire y el dióxido de carbono reciclado del ánodo reaccionan con los electrones para formar iones de carbonato que reponen el electrolito, completando el circuito. ^[51] Las reacciones químicas de un sistema MCFC se pueden expresar de la siguiente manera: ^[52]

Reacción del ánodo : CO ₃ ²⁻ + H ₂ → H ₂ O + CO ₂ + 2e ^-

Reacción del cátodo : CO ₂ + ½O ₂ + 2e ^- → CO ₃ ²⁻

Reacción celular general : H ₂ + ½O ₂ → H ₂ O

Al igual que con las SOFC, las desventajas de las MCFC incluyen tiempos de inicio lentos debido a su alta temperatura de funcionamiento. Esto hace que los sistemas MCFC no sean adecuados para aplicaciones móviles y es muy probable que esta tecnología se utilice para celdas de combustible estacionarias. El principal desafío de la tecnología MCFC es la corta vida útil de las células. El electrolito de alta temperatura y el carbonato provocan la corrosión del ánodo y el cátodo. Estos factores aceleran la degradación de los componentes de MCFC, disminuyendo la durabilidad y la vida útil de la celda. Los investigadores están abordando este problema explorando materiales resistentes a la corrosión para componentes, así como diseños de celdas de combustible que pueden aumentar la vida útil de las celdas sin disminuir el rendimiento. ^[5]

Los MCFC tienen varias ventajas sobre otras tecnologías de pilas de combustible, incluida su resistencia a las impurezas. No son propensos a la "coquización de carbono", que se refiere a la acumulación de carbono en el ánodo que da como resultado un rendimiento reducido al ralentizar el proceso interno de reformado del combustible . Por lo tanto, los combustibles ricos en carbono como los gases hechos a partir del carbón son compatibles con el sistema. El Departamento de Energía de los Estados Unidos afirma que el carbón, en sí mismo, podría incluso ser una opción de combustible en el futuro, asumiendo que el sistema puede hacerse resistente a impurezas como el azufre y las partículas que resultan de convertir el carbón en hidrógeno. ^[5]Las MCFC también tienen eficiencias relativamente altas. Pueden alcanzar una eficiencia de combustible a electricidad del 50%, considerablemente más alta que la eficiencia del 37 al 42% de una planta de celdas de combustible de ácido fosfórico. Las eficiencias pueden llegar al 65% cuando la pila de combustible está emparejada con una turbina, y al 85% si el calor se captura y se utiliza en un sistema combinado de calor y energía (CHP). ^[51]

FuelCell Energy, un fabricante de celdas de combustible con sede en Connecticut, desarrolla y vende celdas de combustible MCFC. La compañía dice que sus productos MCFC van desde sistemas de 300 kW a 2,8 MW que logran un 47% de eficiencia eléctrica y pueden utilizar la tecnología CHP para obtener eficiencias generales más altas. Un producto, el DFC-ERG, se combina con una turbina de gas y, según la empresa, alcanza una eficiencia eléctrica del 65%. ^[53]

Pila de combustible de almacenamiento eléctrico

La pila de combustible de almacenamiento eléctrico es una batería convencional que se puede cargar mediante la entrada de energía eléctrica, utilizando el efecto electroquímico convencional. Sin embargo, la batería incluye además entradas de hidrógeno (y oxígeno) para, alternativamente, cargar la batería químicamente. ^[54]

Comparación de tipos de pilas de combustible

Nombre de la pila de combustible	Electrólito	Potencia calificada (W)	Temperatura de trabajo (° C)	Eficiencia		Estado	Costo (USD / W)
				Celda	Sistema
Pila de combustible de hidruro metálico	Acuosa alcalina solución		> −20 (50% P pico a 0 ° C)			Comercial / Investigación
Pila de combustible electrogalvánica	Solución acuosa alcalina		<40			Comercial / Investigación
Pila de combustible de ácido fórmico directo (DFAFC)	Membrana de polímero (ionómero)	<50 W	<40			Comercial / Investigación
Batería de zinc-aire	Solución acuosa alcalina		<40			Producción en masa
Pila de combustible microbiana	Membrana de polímero o ácido húmico		<40			Investigación
Pila de combustible microbiana de flujo ascendente (UMFC)			<40			Investigación
Pila de combustible regenerativa	Membrana de polímero ( ionómero )		<50			Comercial / Investigación
Pila de combustible de borohidruro directo	Solución acuosa alcalina		70			Comercial
Pila de combustible alcalina	Solución acuosa alcalina	10-200 kW	<80	60–70%	62%	Comercial / Investigación
Pila de combustible de metanol directo	Membrana de polímero (ionómero)	100 mW - 1 kW	90-120	20-30%	10-25% [55]	Comercial / Investigación	125
Pila de combustible de metanol reformada	Membrana de polímero (ionómero)	5 W - 100 kW	250–300 (reformador) 125–200 (PBI)	50–60%	25–40%	Comercial / Investigación
Pila de combustible de etanol directo	Membrana de polímero (ionómero)	<140 mW / cm²	> 25 ? 90-120			Investigación
Celda de combustible de membrana de intercambio de protones	Membrana de polímero (ionómero)	1 W - 500 kW	50-100 (Nafion) [56] 120-200 (PBI) [57]	50–70%	30-50% [55]	Comercial / Investigación	50-100
Pila de combustible redox (RFC)	Electrolitos líquidos con lanzadera redox y membrana de polímero (ionómero)	1 kW - 10 MW				Investigación
Pila de combustible de ácido fosfórico	Ácido fosfórico fundido (H 3 PO 4 )	<10 MW	150-200	55%	40% [55] Cogeneración: 90%	Comercial / Investigación	4,00–4,50
Pila de combustible de ácido sólido	Sal de oxianión conductora de H + (ácido sólido)	10 W - 1 kW	200–300	55–60%	40–45%	Comercial / Investigación
Pila de combustible de carbonato fundido	Carbonato alcalino fundido	100 MW	600–650	55%	45-55% [55]	Comercial / Investigación
Pila de combustible de óxido sólido tubular (TSOFC)	O 2- -conducting de cerámica de óxido	<100 MW	850-1100	60–65%	55–60%	Comercial / Investigación
Pila de combustible de cerámica protónica	Óxido cerámico conductor de H +		700			Investigación
Pila de combustible de carbono directo	Varios diferentes		700–850	80%	70%	Comercial / Investigación
Planar de células de combustible de óxido sólido	O 2- -conducting de cerámica de óxido	<100 MW	500-1100	60–65%	55–60% [55]	Comercial / Investigación
Células de biocombustible enzimático	Cualquiera que no desnaturalice la enzima		<40			Investigación
Pila de combustible de magnesio-aire	Agua salada		−20 a 55	90%		Comercial / Investigación

Glosario de términos en tabla:

Más información: glosario de términos de pilas de combustible

Ánodo

El electrodo en el que tiene lugar la oxidación (pérdida de electrones). Para las pilas de combustible y otras pilas galvánicas, el ánodo es el terminal negativo; para las celdas electrolíticas (donde ocurre la electrólisis), el ánodo es el terminal positivo. ^[58]

Solución acuosa ^[59]

De, relacionado o parecido al agua

Hecho de, con o con agua.

Catalizador

Sustancia química que aumenta la velocidad de una reacción sin ser consumida; después de la reacción, se puede recuperar potencialmente de la mezcla de reacción y no se modifica químicamente. El catalizador reduce la energía de activación requerida, lo que permite que la reacción se desarrolle más rápidamente o a una temperatura más baja. En una pila de combustible, el catalizador facilita la reacción de oxígeno e hidrógeno. Por lo general, está hecho de polvo de platino con una capa muy fina sobre papel carbón o tela. El catalizador es rugoso y poroso, por lo que la superficie máxima del platino puede exponerse al hidrógeno u oxígeno. El lado recubierto de platino del catalizador mira hacia la membrana en la celda de combustible. ^[58]

Cátodo

El electrodo en el que se produce la reducción (una ganancia de electrones). Para las pilas de combustible y otras pilas galvánicas, el cátodo es el terminal positivo; para las celdas electrolíticas (donde ocurre la electrólisis), el cátodo es el terminal negativo. ^[58]

Electrólito

Sustancia que conduce iones cargados de un electrodo al otro en una celda de combustible, batería o electrolizador. ^[58]

Pila de pilas de combustible

Pilas de combustible individuales conectadas en serie. Las pilas de combustible se apilan para aumentar el voltaje. ^[58]

Matriz

algo dentro o desde el cual algo más se origina, se desarrolla o toma forma. ^[60]

Membrana

La capa de separación en una celda de combustible que actúa como electrolito (un intercambiador de iones) así como una película de barrera que separa los gases en los compartimientos de ánodo y cátodo de la celda de combustible. ^[58]

Pila de combustible de carbonato fundido (MCFC)

Tipo de pila de combustible que contiene un electrolito de carbonato fundido. Los iones de carbonato (CO ₃ ²⁻ ) se transportan del cátodo al ánodo. Las temperaturas de funcionamiento suelen rondar los 650 ° C. ^[58]

Pila de combustible de ácido fosfórico (PAFC)

Tipo de pila de combustible en la que el electrolito consiste en ácido fosfórico concentrado (H ₃ PO ₄ ). Los protones (H +) se transportan del ánodo al cátodo. El rango de temperatura de funcionamiento es generalmente de 160 a 220 ° C. ^[58]

Celda de combustible de membrana de intercambio de protones (PEM)

Una pila de combustible que incorpora una membrana de polímero sólido que se utiliza como electrolito. Los protones (H +) se transportan del ánodo al cátodo. El rango de temperatura de funcionamiento es generalmente de 60 a 100 ° C. ^[58]

Pila de combustible de óxido sólido (SOFC)

Tipo de pila de combustible en la que el electrolito es un óxido metálico sólido, no poroso, típicamente óxido de circonio (ZrO ₂ ) tratado con Y ₂ O ₃ , y O ^{2 -} se transporta desde el cátodo al ánodo. Cualquier CO en el gas reformado se oxida a CO ₂ en el ánodo. Las temperaturas de funcionamiento suelen ser de 800 a 1000 ° C. ^[58]

Solución ^[61]

Acto o proceso mediante el cual una sustancia sólida, líquida o gaseosa se mezcla homogéneamente con un líquido o, a veces, con un gas o un sólido.

Una mezcla homogénea formada por este proceso; especialmente: un sistema líquido monofásico.

La condición de disolverse.

Eficiencia de los principales tipos de pilas de combustible

Máxima eficiencia teórica

La eficiencia energética de un sistema o dispositivo que convierte energía se mide por la relación entre la cantidad de energía útil producida por el sistema ("energía de salida") y la cantidad total de energía introducida ("energía de entrada") o por energía de salida útil como porcentaje de la energía de entrada total. En el caso de las pilas de combustible, la energía de salida útil se mide en energía eléctrica producida por el sistema. La energía de entrada es la energía almacenada en el combustible. Según el Departamento de Energía de EE. UU., Las pilas de combustible generalmente tienen entre un 40 y un 60% de eficiencia energética. ^[62] Esto es más alto que algunos otros sistemas de generación de energía. Por ejemplo, el motor de combustión interna típico de un automóvil tiene una eficiencia energética de aproximadamente un 25%. ^[63]En los sistemas combinados de calor y energía (CHP), el calor producido por la celda de combustible se captura y se utiliza, lo que aumenta la eficiencia del sistema hasta en un 85–90%. ^[5]

La eficiencia máxima teórica de cualquier tipo de sistema de generación de energía nunca se alcanza en la práctica, y no considera otros pasos en la generación de energía, como la producción, transporte y almacenamiento de combustible y conversión de la electricidad en energía mecánica. Sin embargo, este cálculo permite comparar diferentes tipos de generación de energía. La eficiencia energética teórica máxima de una pila de combustible es del 83%, funcionando a baja densidad de potencia y utilizando hidrógeno y oxígeno puros como reactivos (asumiendo que no hay recaptura de calor) ^[64] Según el Consejo Mundial de Energía, esto se compara con una eficiencia teórica máxima de 58% para motores de combustión interna. ^[64]

En la práctica

En un vehículo de pila de combustible, la eficiencia del tanque a la rueda es superior al 45% con cargas bajas ^[65] y muestra valores medios de alrededor del 36% cuando se utiliza un ciclo de conducción como el NEDC ( Nuevo ciclo de conducción europeo ) como procedimiento de prueba. . ^[66] El valor NEDC comparable para un vehículo diésel es del 22%. En 2008, Honda lanzó un vehículo eléctrico de celda de combustible de demostración (el Honda FCX Clarity ) con una pila de combustible que afirmaba una eficiencia del tanque a la rueda del 60%. ^[67]

También es importante tener en cuenta las pérdidas debidas a la producción, el transporte y el almacenamiento de combustible. Los vehículos de pila de combustible que funcionan con hidrógeno comprimido pueden tener una eficiencia de la planta de energía a la rueda del 22% si el hidrógeno se almacena como gas a alta presión y del 17% si se almacena como hidrógeno líquido . ^[68] Las pilas de combustible no pueden almacenar energía como una batería, ^[69] excepto como hidrógeno, pero en algunas aplicaciones, como las centrales eléctricas independientes basadas en fuentes discontinuas como la solar o la eólica , se combinan con electrolizadores.y sistemas de almacenamiento para formar un sistema de almacenamiento de energía. A partir de 2019, el 90% del hidrógeno se utilizó para el refinado de petróleo, la producción de productos químicos y fertilizantes, y el 98% del hidrógeno se produce mediante el reformado de metano con vapor , que emite dióxido de carbono. ^[70] La eficiencia general (de electricidad a hidrógeno y de vuelta a electricidad) de tales plantas (conocida como eficiencia de ida y vuelta ), que utilizan hidrógeno puro y oxígeno puro, puede ser "del 35 al 50 por ciento", según la densidad del gas y otros condiciones. ^[71] El sistema de pila de combustible / electrolizador puede almacenar cantidades indefinidas de hidrógeno y, por lo tanto, es adecuado para un almacenamiento a largo plazo.

Las pilas de combustible de óxido sólido producen calor a partir de la recombinación del oxígeno y el hidrógeno. La cerámica puede alcanzar temperaturas de hasta 800 grados centígrados. Este calor se puede capturar y usar para calentar agua en una aplicación micro combinada de calor y energía (m-CHP). Cuando se captura el calor, la eficiencia total puede alcanzar el 80-90% en la unidad, pero no considera las pérdidas de producción y distribución. Las unidades de cogeneración se están desarrollando hoy para el mercado doméstico europeo.

El profesor Jeremy P. Meyers, en la revista Interface de la Electrochemical Societyen 2008, escribió: "Si bien las celdas de combustible son eficientes en relación con los motores de combustión, no son tan eficientes como las baterías, principalmente debido a la ineficiencia de la reacción de reducción de oxígeno (y ... la reacción de desprendimiento de oxígeno, en caso de que el hidrógeno se forme por electrólisis del agua) .... [T] o tienen más sentido para el funcionamiento desconectado de la red, o cuando se puede suministrar combustible de forma continua. Para aplicaciones que requieren arranques frecuentes y relativamente rápidos ... donde las emisiones cero son un requisito, como en espacios cerrados como almacenes, y donde el hidrógeno se considera un reactivo aceptable, una [pila de combustible PEM] se está convirtiendo en una opción cada vez más atractiva [si el cambio de baterías es inconveniente] ". ^[72]En 2013, las organizaciones militares estaban evaluando las pilas de combustible para determinar si podían reducir significativamente el peso de la batería que llevaban los soldados. ^[73]

Aplicaciones

Submarino tipo 212 con propulsión de pila de combustible de la Armada alemana en dique seco

Poder

Las celdas de combustible estacionarias se utilizan para la generación de energía primaria y de respaldo comercial, industrial y residencial. Las pilas de combustible son muy útiles como fuentes de energía en ubicaciones remotas, como naves espaciales, estaciones meteorológicas remotas, grandes parques, centros de comunicaciones, ubicaciones rurales, incluidas estaciones de investigación, y en ciertas aplicaciones militares. Un sistema de pila de combustible que funciona con hidrógeno puede ser compacto y ligero, y no tiene partes móviles importantes. Debido a que las celdas de combustible no tienen partes móviles y no involucran combustión, en condiciones ideales pueden alcanzar hasta un 99,9999% de confiabilidad. ^[74] Esto equivale a menos de un minuto de tiempo de inactividad en un período de seis años. ^[74]

Dado que los sistemas de electrolizadores de pila de combustible no almacenan combustible en sí mismos, sino que dependen de unidades de almacenamiento externas, se pueden aplicar con éxito en el almacenamiento de energía a gran escala, por ejemplo en las zonas rurales. ^[75] Hay muchos tipos diferentes de pilas de combustible estacionarias, por lo que las eficiencias varían, pero la mayoría tiene una eficiencia energética de entre el 40% y el 60%. ^[5] Sin embargo, cuando el calor residual de la pila de combustible se utiliza para calentar un edificio en un sistema de cogeneración, esta eficiencia puede aumentar al 85%. ^[5] Esto es significativamente más eficiente que las centrales eléctricas de carbón tradicionales, que son solo alrededor de un tercio de eficiencia energética. ^[76] Suponiendo una producción a gran escala, las pilas de combustible podrían ahorrar entre un 20% y un 40% en costes de energía cuando se utilizan en sistemas de cogeneración. ^[77]Las pilas de combustible también son mucho más limpias que la generación de energía tradicional; una planta de energía de pila de combustible que utiliza gas natural como fuente de hidrógeno crearía menos de una onza de contaminación (aparte del CO
2) por cada 1.000 kW · h producidos, en comparación con 25 libras de contaminantes generados por los sistemas de combustión convencionales. ^[78] Las pilas de combustible también producen un 97% menos de emisiones de óxido de nitrógeno que las centrales eléctricas convencionales de carbón.

Uno de esos programas piloto está operando en Stuart Island en el estado de Washington. Allí, la Stuart Island Energy Initiative ^[79] ha construido un sistema completo de circuito cerrado: los paneles solares alimentan un electrolizador, que produce hidrógeno. El hidrógeno se almacena en un tanque de 500 galones estadounidenses (1,900 L) a 200 libras por pulgada cuadrada (1,400 kPa) y funciona con una celda de combustible ReliOn para proporcionar respaldo eléctrico completo a la residencia fuera de la red. Otro circuito de sistema cerrado se dio a conocer a finales de 2011 en Hempstead, Nueva York. ^[80]

Las pilas de combustible se pueden utilizar con gas de baja calidad procedente de vertederos o plantas de tratamiento de aguas residuales para generar energía y reducir las emisiones de metano . Se dice que una planta de pila de combustible de 2,8 MW en California es la más grande de su tipo. ^[81] Se están desarrollando pilas de combustible a pequeña escala (menos de 5 kWh) para su uso en instalaciones residenciales fuera de la red. ^[82]

Cogeneración

Los sistemas de celdas de combustible combinados de calor y energía (CHP), incluidos los sistemas micro combinados de calor y energía (MicroCHP), se utilizan para generar electricidad y calor para hogares (ver celda de combustible para el hogar ), edificios de oficinas y fábricas. El sistema genera energía eléctrica constante (vendiendo el exceso de energía a la red cuando no se consume) y, al mismo tiempo, produce aire caliente y agua a partir del calor residual . Como resultado, los sistemas de cogeneración tienen el potencial de ahorrar energía primaria, ya que pueden aprovechar el calor residual que generalmente es rechazado por los sistemas de conversión de energía térmica. ^[83] Un rango de capacidad típico de una pila de combustible doméstica es de 1 a 3 kW _el , 4 a 8 kW _th . ^{[84][85] Los} sistemas de cogeneración conectados a enfriadores de absorción utilizan su calor residual para la refrigeración . ^[86]

El calor residual de las pilas de combustible se puede desviar durante el verano directamente al suelo, proporcionando un mayor enfriamiento, mientras que el calor residual durante el invierno se puede bombear directamente al edificio. La Universidad de Minnesota es propietaria de los derechos de patente de este tipo de sistema ^{[87] [88]}

Los sistemas de cogeneración pueden alcanzar un 85% de eficiencia (40-60% eléctricos y el resto como térmicos). ^[5] Las pilas de combustible de ácido fosfórico (PAFC) constituyen el segmento más grande de productos de cogeneración existentes en todo el mundo y pueden proporcionar eficiencias combinadas cercanas al 90%. ^{[89] [90]} El carbonato fundido (MCFC) y las pilas de combustible de óxido sólido (SOFC) también se utilizan para la generación combinada de calor y energía y tienen eficiencias de energía eléctrica de alrededor del 60%. ^[91] Las desventajas de los sistemas de cogeneración incluyen tasas lentas de aceleración y disminución, alto costo y corta vida útil. ^{[92] [93]}Además, su necesidad de tener un tanque de almacenamiento de agua caliente para suavizar la producción de calor térmico fue una seria desventaja en el mercado doméstico, donde el espacio en las propiedades domésticas es muy importante. ^[94]

Los consultores de Delta-ee declararon en 2013 que con el 64% de las ventas globales, la energía y el calor micro-combinado de celdas de combustible superaron a los sistemas convencionales en ventas en 2012. ^[73] El proyecto japonés ENE FARM superará los sistemas de 100.000 FC mCHP en 2014, 34.213 En el período 2012-2014 se instalaron PEMFC y 2.224 SOFC, 30.000 unidades en GNL y 6.000 en GLP . ^[95]

Vehículos eléctricos de pila de combustible (FCEV)

Artículos principales: Vehículo de pila de combustible , Vehículo de hidrógeno y Lista de vehículos de pila de combustible

Configuración de componentes en un automóvil de celda de combustible

Toyota Mirai

Vehículo de pila de combustible Element One

Automóviles

Para fines de 2019, se habían alquilado o vendido alrededor de 18,000 FCEV en todo el mundo. ^[96] Se han introducido tres vehículos eléctricos de pila de combustible para arrendamiento comercial y venta: el Honda Clarity , el Toyota Mirai y el Hyundai ix35 FCEV . Los modelos de demostración adicionales incluyen el Honda FCX Clarity y el Mercedes-Benz F-Cell . ^[97] En junio de 2011, los FCEV de demostración habían recorrido más de 4.800.000 km (3.000.000 millas), con más de 27.000 repostajes. ^[98] Los vehículos eléctricos de pila de combustible tienen una autonomía promedio de 314 millas entre repostajes. ^[99] Se pueden repostar en menos de 5 minutos.^[100] El Programa de Tecnología de Celdas de Combustible del Departamento de Energía de EE. UU. Establece que, a partir de 2011, las celdas de combustible lograron una eficiencia del 53% al 59% a un cuarto de potencia y una eficiencia del vehículo del 42% al 53% a plena potencia, ^[101] y una durabilidad de más de 120.000 km (75.000 millas) con menos del 10% de degradación. ^[102] En un análisis de simulación Well-to-Wheels de 2017 que "no abordó las limitaciones económicas y del mercado", General Motors y sus socios estimaron que por milla recorrida, un vehículo eléctrico de pila de combustible que funciona con hidrógeno gaseoso comprimido producido a partir de gas natural podría utilizar aproximadamente un 40% menos de energía y emitir un 45% menos de gases de efecto invernadero que un vehículo de combustión interna. ^[103]

En 2015, Toyota presentó su primer vehículo de celda de combustible, el Mirai, a un precio de $ 57,000. ^[104] Hyundai introdujo el Hyundai ix35 FCEV de producción limitada en virtud de un contrato de arrendamiento. ^[105] En 2016, Honda comenzó a arrendar el Honda Clarity Fuel Cell. ^[106] En 2020, Toyota introdujo la segunda generación de su marca Mirai, mejorando la eficiencia de combustible y ampliando el rango en comparación con el modelo Sedan 2014 original. ^[107]

Crítica

Algunos comentaristas creen que los coches de pila de combustible de hidrógeno nunca serán económicamente competitivos con otras tecnologías ^{[108] [109] [110]} o que pasarán décadas antes de que sean rentables. ^{[72] [111]} Elon Musk, director ejecutivo del fabricante de vehículos eléctricos de batería Tesla Motors , declaró en 2015 que las pilas de combustible para uso en automóviles nunca serán comercialmente viables debido a la ineficiencia de producir, transportar y almacenar hidrógeno y la inflamabilidad del gas, entre otras razones. ^[112]

En 2012, Lux Research, Inc. emitió un informe que decía: "El sueño de una economía del hidrógeno ... no está más cerca". Concluyó que "el costo de capital ... limitará la adopción a solo 5,9 GW" para 2030, lo que proporcionará "una barrera casi insuperable para la adopción, excepto en aplicaciones específicas". El análisis concluyó que, para 2030, el mercado estacionario de PEM alcanzará los mil millones de dólares, mientras que el mercado de vehículos, incluidas las carretillas elevadoras, alcanzará un total de 2 mil millones de dólares. ^[111] Otros análisis citan la falta de una amplia infraestructura de hidrógeno en los EE. UU. Como un desafío continuo para la comercialización de vehículos eléctricos de celda de combustible. ^{[sesenta y cinco]}

En 2014, Joseph Romm , autor de The Hype About Hydrogen (2005), dijo que los FCV aún no habían superado el alto costo de combustible, la falta de infraestructura de suministro de combustible y la contaminación causada por la producción de hidrógeno. "Se necesitarían varios milagros para superar todos esos problemas simultáneamente en las próximas décadas". ^[113] Concluyó que la energía renovable no se puede utilizar económicamente para producir hidrógeno para una flota de FCV "ni ahora ni en el futuro". ^[108] El analista de Greentech Media llegó a conclusiones similares en 2014. ^[114] En 2015, Clean Technica enumeró algunas de las desventajas de los vehículos de pila de combustible de hidrógeno. ^[115] También Car Throttle. ^[116]

Un video de 2019 de Real Engineering señaló que, a pesar de la introducción de vehículos que funcionan con hidrógeno, el uso de hidrógeno como combustible para automóviles no ayuda a reducir las emisiones de carbono del transporte. El 95% del hidrógeno que todavía se produce a partir de combustibles fósiles libera dióxido de carbono, y producir hidrógeno a partir del agua es un proceso que consume energía. El almacenamiento de hidrógeno requiere más energía, ya sea para enfriarlo al estado líquido o para ponerlo en tanques a alta presión, y entregar el hidrógeno a las estaciones de servicio requiere más energía y puede liberar más carbono. El hidrógeno necesario para mover un FCV por kilómetro cuesta aproximadamente 8 veces más que la electricidad necesaria para mover un BEV a la misma distancia. ^[117]Una evaluación de 2020 concluyó que los vehículos de hidrógeno todavía tienen solo un 38% de eficiencia, mientras que los vehículos eléctricos con batería tienen una eficiencia del 80%. ^[118]

Autobuses

Toyota FCHV-BUS en la Expo 2005 .

En agosto de 2011 ^[update], había alrededor de 100 autobuses de pila de combustible en servicio en todo el mundo. ^[119] La mayoría de estos fueron fabricados por UTC Power , Toyota, Ballard, Hydrogenics y Proton Motor. Los autobuses de UTC habían recorrido más de 970.000 km (600.000 millas) en 2011. ^[120] Los autobuses de pila de combustible tienen entre un 39% y un 141% más de ahorro de combustible que los autobuses diésel y los autobuses de gas natural. ^{[103] [121]}

En 2019, el NREL estaba evaluando varios proyectos de autobuses de celdas de combustible actuales y previstos en los EE ^. UU. ^[122]

Montacargas

Una carretilla elevadora de pila de combustible (también llamada carretilla elevadora de pila de combustible) es una carretilla elevadora industrial impulsada por pila de combustible que se utiliza para levantar y transportar materiales. En 2013, se utilizaron más de 4.000 montacargas de pila de combustible en la manipulación de materiales en los EE. UU. ^[123] de los cuales 500 recibieron financiación del DOE (2012). ^{[124] [125]} Varias empresas operan flotas de pilas de combustible, incluidas Sysco Foods, FedEx Freight, GENCO (en Wegmans, Coca-Cola, Kimberly Clark y Whole Foods) y HEB Grocers. ^[126] Europa demostró 30 carretillas elevadoras de pila de combustible con Hylift y las amplió con HyLIFT-EUROPE a 200 unidades, ^[127] con otros proyectos en Francia^{[128] [129]} y Austria . ^[130] Pike Research proyectó en 2011 que las carretillas elevadoras accionadas por pilas de combustible serían el mayor impulsor de la demanda de combustible de hidrógeno para 2020. ^[131]

La mayoría de las empresas en Europa y los EE. UU. No utilizan carretillas elevadoras a petróleo, ya que estos vehículos trabajan en interiores donde las emisiones deben controlarse y en su lugar utilizan carretillas elevadoras eléctricas. ^{[132] [133]} Los montacargas de pila de combustible pueden proporcionar beneficios sobre los montacargas de batería, ya que pueden repostar en 3 minutos y pueden usarse en almacenes refrigerados, donde su rendimiento no se ve degradado por temperaturas más bajas. Las unidades FC a menudo se diseñan como reemplazos directos. ^{[134] [135]}

Motocicletas y bicicletas

En 2005, un fabricante británico de pilas de combustible impulsadas por hidrógeno, Intelligent Energy (IE), produjo la primera motocicleta operativa con hidrógeno llamada ENV (vehículo de emisión neutra). La motocicleta tiene suficiente combustible para funcionar durante cuatro horas y viajar 160 km (100 millas) en un área urbana, a una velocidad máxima de 80 km / h (50 mph). ^[136] En 2004 Honda desarrolló una motocicleta de pila de combustible que utilizaba el Honda FC Stack. ^{[137] [138]}

Otros ejemplos de motocicletas ^[139] y bicicletas ^[140] que utilizan pilas de combustible de hidrógeno incluyen el scooter de la empresa taiwanesa APFCT ^{[141] que} utiliza el sistema de alimentación de la italiana Acta SpA ^[142] y el scooter Suzuki Burgman con pila de combustible IE que recibió la UE Aprobación del tipo de vehículo completo en 2011. ^[143] Suzuki Motor Corp. e IE han anunciado una empresa conjunta para acelerar la comercialización de vehículos de emisión cero. ^[144]

Aviones

En 2003, voló el primer avión propulsado por hélice del mundo que funcionaba íntegramente con una pila de combustible. La pila de combustible era un diseño de pila que permitía que la pila de combustible se integrara con las superficies aerodinámicas del avión. ^[145] Los vehículos aéreos no tripulados (UAV) propulsados ​​por celdas de combustible incluyen un UAV de celda de combustible Horizon que estableció el récord de distancia volada para un UAV pequeño en 2007. ^{[146] Los} investigadores de Boeing y socios industriales de toda Europa realizaron pruebas de vuelo experimentales en febrero de 2008 de un avión tripulado propulsado únicamente por una pila de combustible y baterías ligeras. El avión demostrador de pila de combustible, como se le llamaba, utilizaba una pila de combustible / batería de iones de litio con membrana de intercambio de protones (PEM).sistema híbrido para alimentar un motor eléctrico, que estaba acoplado a una hélice convencional. ^[147]

En 2009, el Ion Tiger del Laboratorio de Investigación Naval (NRL) utilizó una celda de combustible impulsada por hidrógeno y voló durante 23 horas y 17 minutos. ^[148] También se están probando y considerando las pilas de combustible para proporcionar energía auxiliar en las aeronaves, reemplazando los generadores de combustibles fósiles que se utilizaban anteriormente para arrancar los motores y alimentar las necesidades eléctricas a bordo, al tiempo que reducen las emisiones de carbono. ^{[149] [150] [ verificación fallida ]} En 2016, un dron Raptor E1 realizó un vuelo de prueba exitoso usando una celda de combustible que era más liviana que la batería de iones de litio.reemplazó. El vuelo duró 10 minutos a una altitud de 80 metros (260 pies), aunque se informó que la celda de combustible tenía suficiente combustible para volar durante dos horas. El combustible estaba contenido en aproximadamente 100 gránulos sólidos de 1 centímetro cuadrado (0,16 pulgadas cuadradas) compuestos de un producto químico patentado dentro de un cartucho sin presión. Los gránulos son físicamente robustos y funcionan a temperaturas tan cálidas como 50 ° C (122 ° F). La celda era de Arcola Energy. ^[151]

Lockheed Martin Skunk Works Stalker es un UAV eléctrico impulsado por una celda de combustible de óxido sólido. ^[152]

Barcos

El primer barco de pila de combustible certificado del mundo ( HYDRA ), en Leipzig / Alemania

El primer barco de pila de combustible del mundo, el HYDRA, utilizó un sistema AFC con una potencia neta de 6,5 kW. Ámsterdam introdujo barcos propulsados ​​por pilas de combustible que transportan a la gente por los canales de la ciudad. ^[153]

Submarinos

Los submarinos Tipo 212 de las marinas alemana e italiana utilizan pilas de combustible para permanecer sumergidos durante semanas sin necesidad de salir a la superficie.

El U212A es un submarino no nuclear desarrollado por el astillero naval alemán Howaldtswerke Deutsche Werft. ^[154] El sistema consta de nueve pilas de combustible PEM, que proporcionan entre 30 kW y 50 kW cada una. El barco está en silencio, lo que le da una ventaja en la detección de otros submarinos. ^[155] Un artículo naval ha teorizado sobre la posibilidad de un híbrido de pila de combustible nuclear mediante el cual la pila de combustible se usa cuando se requieren operaciones silenciosas y luego se repone desde el reactor nuclear (y agua). ^[156]

Sistemas de energía portátiles

Los sistemas portátiles de pilas de combustible se clasifican generalmente como con un peso inferior a 10 kg y una potencia de menos de 5 kW. ^[157] El tamaño del mercado potencial para las celdas de combustible más pequeñas es bastante grande, con una tasa de crecimiento potencial de hasta el 40% anual y un tamaño de mercado de alrededor de $ 10 mil millones, lo que lleva a que se dedique una gran cantidad de investigación al desarrollo de celdas de energía portátiles. . ^[158] Dentro de este mercado se han identificado dos grupos. El primero es el mercado de celdas de microcombustible, en el rango de 1 a 50 W para alimentar dispositivos electrónicos más pequeños. El segundo es la gama de generadores de 1 a 5 kW para la generación de energía a mayor escala (por ejemplo, puestos militares, campos petrolíferos remotos).

Las celdas de microcombustible están destinadas principalmente a penetrar en el mercado de teléfonos y computadoras portátiles. Esto se puede atribuir principalmente a la densidad de energía ventajosa proporcionada por las pilas de combustible sobre una batería de iones de litio, para todo el sistema. En el caso de una batería, este sistema incluye el cargador y la propia batería. Para la pila de combustible, este sistema incluiría la pila, el combustible necesario y los accesorios periféricos. Teniendo en cuenta el sistema completo, se ha demostrado que las pilas de combustible proporcionan 530 Wh / kg en comparación con los 44 Wh / kg de las baterías de iones de litio. ^[158]Sin embargo, aunque el peso de los sistemas de pilas de combustible ofrece una clara ventaja, los costes actuales no están a su favor. mientras que un sistema de batería generalmente cuesta alrededor de $ 1.20 por Wh, los sistemas de celdas de combustible cuestan alrededor de $ 5 por Wh, lo que los coloca en una desventaja significativa. ^[158]

A medida que aumenta la demanda de energía para los teléfonos celulares, las celdas de combustible podrían convertirse en opciones mucho más atractivas para una mayor generación de energía. La demanda de más tiempo en teléfonos y computadoras es algo que los consumidores demandan a menudo para que las celdas de combustible puedan comenzar a hacer avances en los mercados de computadoras portátiles y teléfonos celulares. El precio seguirá bajando a medida que se acelera el desarrollo de las pilas de combustible. Las estrategias actuales para mejorar las micro celdas de combustible es mediante el uso de nanotubos de carbono . Girishkumar et al. que depositar nanotubos en las superficies de los electrodos permite un área de superficie sustancialmente mayor aumentando la tasa de reducción de oxígeno. ^[159]

Las pilas de combustible para su uso en operaciones a gran escala también son muy prometedoras. Los sistemas de energía portátiles que utilizan celdas de combustible se pueden utilizar en el sector del ocio (es decir, vehículos recreativos, cabañas, marino), el sector industrial (es decir, energía para ubicaciones remotas, incluidos pozos de gas / petróleo, torres de comunicación, seguridad, estaciones meteorológicas) y en el sector militar. SFC Energy es un fabricante alemán de pilas de combustible de metanol directo para una variedad de sistemas de energía portátiles. ^[160] Ensol Systems Inc. es un integrador de sistemas de energía portátiles que utiliza el SFC Energy DMFC. ^[161]La principal ventaja de las pilas de combustible en este mercado es la gran generación de energía por peso. Si bien las celdas de combustible pueden ser costosas, para ubicaciones remotas que requieren energía confiable, las celdas de combustible tienen gran poder. Para una excursión de 72 h, la comparación en peso es sustancial, con una celda de combustible que solo pesa 15 libras en comparación con las 29 libras de baterías necesarias para la misma energía. ^[157]

Otras aplicaciones

• Suministro de energía para estaciones base o emplazamientos celulares ^{[162] [163]}
• Generación distribuida
• Los sistemas de energía de emergencia son un tipo de sistema de pila de combustible, que puede incluir iluminación, generadores y otros aparatos, para proporcionar recursos de respaldo en una crisis o cuando fallan los sistemas regulares. Encuentran usos en una amplia variedad de entornos, desde residencias hasta hospitales, laboratorios científicos, centros de datos , ^[164]
• equipos de telecomunicaciones ^[165] y buques de guerra modernos.
• Una fuente de alimentación ininterrumpida ( UPS ) proporciona energía de emergencia y, según la topología, también proporciona regulación de línea a los equipos conectados al suministrar energía desde una fuente separada cuando la energía de la red pública no está disponible. A diferencia de un generador de reserva, puede proporcionar protección instantánea contra una interrupción momentánea de energía.
• Plantas de energía de carga base
• Calentamiento de agua de pila de combustible de hidrógeno solar
• Vehículos híbridos , emparejando la celda de combustible con un ICE o una batería.
• Computadoras portátiles para aplicaciones en las que la carga de CA puede no estar disponible.
• Muelles de carga portátiles para dispositivos electrónicos pequeños (por ejemplo, un clip para cinturón que carga un teléfono celular o PDA ).
• Smartphones , laptops y tablets.
• Pequeños aparatos de calefacción ^[166]
• Conservación de alimentos , que se logra agotando el oxígeno y manteniendo automáticamente el agotamiento de oxígeno en un contenedor de envío que contiene, por ejemplo, pescado fresco. ^[167]
• Alcoholímetros , donde la cantidad de voltaje generado por una celda de combustible se usa para determinar la concentración de combustible (alcohol) en la muestra. ^[168]
• Detector de monóxido de carbono , sensor electroquímico.

Estaciones de repostaje

Artículos principales: Estación de hidrógeno y Autopista del hidrógeno.

Estación de repostaje de hidrógeno .

Según FuelCellsWorks, un grupo industrial, a finales de 2019, 330 estaciones de repostaje de hidrógeno estaban abiertas al público en todo el mundo. ^[169] En junio de 2020, había 178 estaciones de hidrógeno disponibles públicamente en funcionamiento en Asia. ^[170] 114 de ellos estaban en Japón. ^[171] Había al menos 177 estaciones en Europa, y aproximadamente la mitad de ellas estaban en Alemania. ^{[172] [173]} Había 44 estaciones de acceso público en los EE. UU., 42 de las cuales estaban ubicadas en California. ^[174]

La construcción de una estación de servicio de hidrógeno cuesta entre $ 1 millón y $ 4 millones. ^[175]

Mercados y economía

Artículos principales: Economía del hidrógeno y economía del metanol.

En 2012, los ingresos de la industria de celdas de combustible excedieron el valor de mercado de mil millones de dólares en todo el mundo, y los países del Pacífico asiático enviaron más de 3/4 de los sistemas de celdas de combustible en todo el mundo. ^[176] Sin embargo, en enero de 2014, ninguna empresa pública del sector se había vuelto rentable. ^[177] Se enviaron 140.000 pilas de pilas de combustible a nivel mundial en 2010, frente a 11.000 envíos en 2007, y de 2011 a 2012, los envíos de pilas de combustible en todo el mundo tuvieron una tasa de crecimiento anual del 85%. ^[178] Tanaka Kikinzoku amplió sus instalaciones de fabricación en 2011. ^[179]Aproximadamente el 50% de los envíos de pilas de combustible en 2010 fueron pilas de combustible estacionarias, frente a aproximadamente un tercio en 2009, y los cuatro productores dominantes en la industria de pilas de combustible fueron Estados Unidos, Alemania, Japón y Corea del Sur. ^[180] La Alianza de Conversión de Energía de Estado Sólido del Departamento de Energía descubrió que, en enero de 2011, las celdas de combustible estacionarias generaban energía a aproximadamente $ 724 a $ 775 por kilovatio instalado. ^[181] En 2011, Bloom Energy, un importante proveedor de celdas de combustible, dijo que sus celdas de combustible generaban energía a 9-11 centavos por kilovatio-hora, incluido el precio del combustible, el mantenimiento y el hardware. ^{[182] [183]}

Los grupos de la industria predicen que hay suficientes recursos de platino para la demanda futura, ^[184] y en 2007, una investigación en el Laboratorio Nacional de Brookhaven sugirió que el platino podría ser reemplazado por un revestimiento de oro y paladio , que puede ser menos susceptible al envenenamiento y, por lo tanto, mejorar la pila de combustible. toda la vida. ^[185] Otro método utilizaría hierro y azufre en lugar de platino. Esto reduciría el costo de una celda de combustible (ya que el platino en una celda de combustible regular cuesta alrededor de US $ 1.500 y la misma cantidad de hierro cuesta solo alrededor de US $ 1,50 ). El concepto estaba siendo desarrollado por una coalición del Centro John Innes y la Universidad de Milán-Bicocca .^[186] Los cátodos PEDOT son inmunes al envenenamiento por monóxido. ^[187]

En 2016, Samsung "decidió abandonar los proyectos comerciales relacionados con las pilas de combustible, ya que las perspectivas del mercado no son buenas". ^[188]

Investigación y desarrollo

• 2005: Los investigadores del Instituto de Tecnología de Georgia utilizaron triazol para elevar la temperatura de funcionamiento de las celdas de combustible PEM de menos de 100 ° C a más de 125 ° C, alegando que esto requerirá menos purificación de monóxido de carbono del combustible de hidrógeno. ^[189]
• 2008: La Universidad de Monash , Melbourne utilizó PEDOT como cátodo . ^[32]
• 2009: Investigadores de la Universidad de Dayton , en Ohio, demostraron que las matrices de nanotubos de carbono crecidos verticalmente podrían usarse como catalizador en las pilas de combustible. ^[190] El mismo año, se demostró un catalizador a base de bisdifosfina de níquel para pilas de combustible. ^[191]
• 2013: la empresa británica ACAL Energy desarrolló una pila de combustible que, según dijo, puede funcionar durante 10.000 horas en condiciones de conducción simuladas. ^[192] Afirmó que el costo de construcción de la celda de combustible se puede reducir a $ 40 / kW (aproximadamente $ 9,000 por 300 HP). ^[193]
• 2014: Investigadores del Imperial College de Londres desarrollaron un nuevo método para la regeneración de PEFC contaminados con sulfuro de hidrógeno. ^[194] Recuperaron del 95 al 100% del rendimiento original de un PEFC contaminado con sulfuro de hidrógeno. También consiguieron rejuvenecer un PEFC contaminado con SO ₂ . ^[195] Este método de regeneración es aplicable a múltiples pilas de células. ^[196]

Ver también

• Pilas de combustible de membrana de intercambio aniónico alcalino
• Generador de bio-nano
• Criptófano
• Desarrollo energético
• Ingeniería electroquímica
• Centro de información sobre desarrollo de pilas de combustible
• Iniciativa tecnológica conjunta de pilas de combustible e hidrógeno (en Europa)
• Glosario de términos de pilas de combustible
• Almacenamiento de energía de la red
• Reformador de hidrógeno
• Almacenamiento de hidrógeno
• Tecnologías de hidrógeno
• Vehículo de hidrógeno
• Microgeneracion
• Celda de combustible de membrana de intercambio de protones
• División de agua
• Electrólisis PEM

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Lectura adicional

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• Gregor Hoogers (2003). Tecnología de pila de combustible - Manual . Prensa CRC.
• James Larminie; Andrew Dicks (2003). Explicación de los sistemas de pilas de combustible (segunda ed.). Hoboken: John Wiley and Sons.
• Subash C. Singhal; Kevin Kendall (2003). Pilas de combustible de óxido sólido de alta temperatura: fundamentos, diseño y aplicaciones . Prensa académica de Elsevier.
• Frano Barbir (2005). Teoría y práctica de las pilas de combustible PEM . Prensa académica de Elsevier.
• Servicios técnicos de EG&G, Inc. (2004). Manual de tecnología de pilas de combustible, séptima edición . Departamento de Energía de EE. UU.
• Matthew M. Mench (2008). Motores de pila de combustible . Hoboken: John Wiley & Sons, Inc.
• Noriko Hikosaka Behling (2012). Pilas de combustible: desafíos tecnológicos actuales y necesidades de investigación futuras (primera ed.). Prensa académica de Elsevier.

Enlaces externos

• Animación de cómo funciona una pila de combustible y sus aplicaciones.
• Orígenes de la pila de combustible: 1840–1890
• EERE: Programa de tecnologías de infraestructura, pilas de combustible e hidrógeno
• Termodinámica de la electrólisis de agua y pilas de combustible de hidrógeno.
• Paquete de enseñanza y aprendizaje DoITPoMS: "Pilas de combustible"
• Calentamiento de agua de pila de combustible de hidrógeno solar
• Tecnología de pila de combustible: una para el futuro