Energías alternativas: la pila de combustible

Figura 1. Esquema de una pila hidrógeno - oxígeno ►

Una batería o pila de combustible (fuel cell) es un dispositivo electroquímico capaz de convertir mezclas combustibles en energía eléctrica, proporcionando además calor adicional durante el proceso.  A diferencia de las baterías convencionales nunca se descarga, pero debe ser “alimentada” continuamente con un combustible y un oxidante para lograr que funcione. 

El proceso que tiene lugar es una especie de “combustión controlada” a temperaturas relativamente bajas, donde parte de la energía que usualmente se disipa en forma de calor se logra aprovechar transformándose directamente en energía eléctrica.

 La primera pila de combustible (o batería de gas, como se le llamó inicialmente) fue inventada por el inglés William Robert Grove en 1839.  Usaba dos electrodos de platino, sumergidos por un extremo  en sendas vasijas selladas conteniendo hidrógeno y oxígeno respectivamente, y por el otro en un mismo frasco conteniendo ácido sulfúrico diluido.  Así  logró establecer una corriente constante entre ambos electrodos.  Sin embargo, esta pila resultó difícil de manipular y de muy poco interés práctico en su época. 

No fue hasta 1960 que las pilas de combustible fueron de nuevo “revitalizadas” al ser utilizadas en los vuelos espaciales tripulados, tanto para proporcionar electricidad como agua potable para los cosmonautas.  Pilas de hidrógeno-oxígeno se utilizaron en los programas espaciales Géminis y Apolo (la Apolo 11 realizó el primer descenso en la Luna en 1969).  Actualmente las pilas de hidrógeno aún se utilizan en los transbordadores espaciales por una razón fundamental: el peso total de los instrumentos a poner en órbita es decisivo, y estas pilas son capaces de generar mucha más energía por unidad de peso que cualquier otro tipo de batería.  

La figura 1 muestra la pila de combustible hidrógeno – oxígeno esquemáticamente.  Consiste en un ánodo poroso al que se inyecta el hidrógeno combustible y un cátodo hecho de un material similar donde se introduce el oxidante (aire u oxígeno).  Los electrodos están separados por un electrolito conductor iónico (hidróxido de potasio).  Los electrones producidos en el ánodo se mueven hacia el cátodo por el circuito externo, proporcionando la energía aprovechable de la pila.  Los iones hidroxilo (OH -) producidos en el cátodo son conducidos al ánodo por el electrolito; allí se combinan con el hidrógeno y forman agua, que debe ser extraída continuamente para evitar que la pila se inunde. 

La temperatura óptima de trabajo de esta pila puede variar entre los 60 y 90 ^oC, aunque es capaz de comenzar a generar electricidad a temperatura ambiente, aunque con muy baja eficiencia.  Puede proporcionar una fuerza electromotriz de 1.2 volt aproximadamente; utilizando grupos de baterías conectadas en serie y/o paralelo es posible obtener hasta 2 kilowatt de potencia a bajo voltaje.

Otras pilas pueden funcionar con una gran variedad de carburantes; metanol, etanol, gas natural, propano, gasolina, e incluso biogás.  En estos casos la pila no es tan “limpia” como cuando se utiliza hidrógeno, pero los niveles de contaminación son mucho menores que los proporcionados por los generadores de energía tradicionales basados en la combustión.

Algunas de las ventajas adicionales que se le señalan a las pilas de combustible cuando se comparan con otras fuentes de energía son las siguientes:

·    El combustible se convierte en electricidad con más eficiencia que en cualquier otra tecnología generadora de electricidad accesible hoy en día.

·    No hay partes móviles, haciendo las pilas más confiables y mucho menos ruidosas que los generadores convencionales.

·    No se degradan con el uso como las pilas convencionales, y pueden proporcionar energía de una manera continua con un mínimo de desgaste.

·    Pueden alcanzar una alta eficiencia tanto a gran escala como a pequeña, haciéndolas ideales para uso portátil, residencial y de transportación.

·    Como son limpias y eficientes, pueden ser ubicadas en casi cualquier lugar, incluyendo áreas urbanas de gran congestión, donde la necesidad de poca contaminación puede ser determinante.

·    Proporcionan una variante adicional a la construcción de nuevas líneas de transmisión de potencia y también como fuente alternativa para las comunicaciones y otros servicios en caso de desastres o lugares aislados.

Entre las desventajas de las pilas de combustible se encuentra que, por el momento, su tamaño es relativamente grande y su manufactura resulta cara, aunque se espera que con el comienzo de su producción en serie los costos se reduzcan grandemente.  Muchos opinan que aún se necesitan unos cuantos años de investigación y desarrollo para obtener una pila de combustible suficientemente perfeccionada como para ser utilizada comercialmente a gran escala.

Otros tipos de pilas de combustible. Cada una de las pilas siguientes posee características y temperaturas de trabajo que la hacen adecuada para ciertas aplicaciones, pero no para otras.  Se designan según el electrolito utilizado, ya que es éste quien determina las propiedades básicas de la celda, incluyendo su temperatura de trabajo.

Pila de acido fosfórico.  Es la más desarrollada comercialmente hoy día.  Se utiliza en unos 200 edificios en diversos lugares del mundo.  Emplea ácido fosfórico en una matriz de teflón – silicio – carbono.  Posee una eficiencia del 36% trabajando a la temperatura de 200 oC.  Cuando se aprovecha el calor generado, la eficiencia puede llegar al 85%.

Pila de intercambio protónico.  Puede trabajar a temperaturas más bajas (900 C) y posee una respuesta rápida a la demanda de energía, haciéndola la más adecuada hasta el momento para ser adaptada como fuente de energía para vehículos automotores.  Utiliza como electrolito una membrana de polímero.

Pilas de metanol directo.  Utiliza una membrana de polímero como electrolito y metanol (o etanol) como combustible.  Un catalizador en el ánodo es capaz de extraer directamente el hidrógeno del combustible.  Representa una alternativa a la pila de intercambio protónico como fuente de energía para vehículos.  Actualmente se trabaja en el desarrollo de esta pila de combustible como fuente de energía para teléfonos celulares, computadoras y usos militares, tratando de disminuir la temperatura de trabajo.  La eficiencia es de un 40%, y la temperatura de trabajo actual varía entre 50 y 90 oC, con mayor eficiencia a mayor temperatura.

Pila de oxido sólido.  Utiliza una cerámica como electrolito, que debe ser calentada a unos 980oC para permitir el paso de los iones.  Emplea directamente gas natural como fuente de combustible y prácticamente no contamina el ambiente.  El electrolito cerámico es barato y no usa catalizadores caros.  Es ideal para uso industrial así como para calefacción en países fríos o para obtener agua caliente, por la gran cantidad adicional de calor que proporciona.  Su eficiencia es del 50 – 60% y puede llegar a un 90% aprovechando el calor generado.

Pila de carbonato fundido. El electrolito está formado por una mezcla de carbonato de litio y de potasio, contenido en una matriz porosa inerte, con un punto de operación de 650oC.  Posee una eficiencia de casi el 50% y es capaz de funcionar con diferentes combustibles: gas, metanol, diesel, etc.  La eficiencia aumenta a un 80% o más si se aprovecha el calor desprendido durante el trabajo de la celda.  La tecnología está bien adaptada para aplicaciones comerciales en el intervalo de 200 kw hasta 10 mw.  Actualmente existen celdas de este tipo en fase de prueba para uso comercial, y se espera que aparezcan en el mercado en unos pocos años.

¿Qué se vislumbra en el futuro? En un plazo relativamente corto, algunas de las posibles aplicaciones de las celdas de combustible podrían ser las siguientes:

Vehículos automotores.  Las investigaciones en el campo de la industria automotriz parecen estar orientadas hacia pilas de combustible capaces de aprovechar el hidrógeno de la gasolina o el metanol, de manera que los primeros modelos de los nuevos vehículos se puedan alimentar utilizando los servicios ya existentes de expendio de combustible.  Ya existen prototipos.

Aviación.  Un avión diseñado para volar a unos 30 km de altura utilizaría parte de la energía recolectada por celdas solares colocadas en sus alas para obtener hidrógeno y oxígeno por electrolisis del agua durante el día.  Durante la noche el proceso inverso a través de una celda de combustible podría proporcionar energía eléctrica, y también recobrar el agua gastada para ser utilizada al día siguiente.  Este avión podría ser utilizado con fines científicos o de comunicaciones por un largo período de tiempo sin tomar tierra.  No se excluyen los fines militares.  Existen compañías trabajando en proyectos similares con aviones pequeños, con el propósito de que puedan mantenerse en el aire durante semanas e incluso meses sin tocar tierra.

Comunidad.  Quizás la opción más atractiva desde el punto de vista económico sea la siguiente.  Una pila de combustible de diseño adecuado se podría utilizar en breve, allí donde sea barata esta opción, para la electrificación individual de las viviendas a partir del gas natural, con la posibilidad adicional de obtener agua caliente y calefacción.  Existen grupos de investigación trabajando en esta dirección.