Introducción.

El presente informe tiene por objetivo dar a conocer las características principales de estos dispositivos transformadores de energía, desde su principio de funcionamiento, sus aplicaciones, su situación actual y sus repercusiones medioambientales. Destacaremos sus posibilidades en cuanto a plantas de generación de potencia o como plantas motrices en vehículos automóviles.

Principios de funcionamiento.

Aunque parezca novedoso, los principios básicos de funcionamiento de las pilas de combustible fueron establecidos en 1839 por el científico británico Williams Grove, si bien no es hasta la década de los sesenta cuando empiezan a utilizarse. Concretamente, se vienen utilizando desde 1967 por EE.UU. en vehículos espaciales (Géminis y Apolo, transbordadores espaciales y satélites varios) y también en submarinos.

El principio de funcionamiento es el contrario al de la electrólisis del agua, esto es, se hace llegar oxígeno e hidrógeno a los electrodos de una celda electrólítica en los que tiene lugar una reacción electroquímica por la que se produce H₂O, una corriente eléctrica y calor residual. Las reacciones que se producen en el ánodo y el cátodo se pueden apreciar en la gráfica siguiente:
 

y la reacción global: H₂ + 1 ·O_{2 ®}H₂O + corriente eléctrica + calor residual

En definitiva se trata de una reacción de oxidación del hidrógeno con oxígeno (equivale a una combustión isotérmica del H₂ a la temperatura constante con la que funciona la pila), pero en vez de obtener energía térmica se obtiene directamente energía eléctrica.

Otras características son:

• Los reactivos no son parte integrante de la pila, se alimentan desde el exterior en forma continua.

• La pila funcionará mientras se alimenten tanto el combustible como el oxidante.

• Los electrodos no participan en la reacción, son inertes.

• Han de ser porosos para dejar paso a los gases.

• Los electrodos están construidos a base de una matriz de carbono, recubierto de teflón y platino.

• Se precisa de un catalizador a base de platino que resulta muy caro.

• El azufre es un veneno de los catalizadores, hay que eliminarlo.

• La energía eléctrica producida es de corriente continua.

• Los electrodos proporcionan una diferencia de potencial próxima a 1 voltio y una intensidad de corriente directamente relacionada con la superficie de la celda.

• La conexión de múltiples celdas en serie por medio de un conductor eléctrico constituye un apilamiento o "stack". El siguiente esquema muestra una celda dentro de un "stack":

• Si queremos corriente alterna necesitamos un inversor.

• Las pilas se calientan.

• Necesitan un equipo externo de refrigeración.

• Las pilas están compuestas por un gran número de celdas (p. ej. 191 en una pila de 50 kW)

El rendimiento para las transformaciones en un motor térmico son como máximo de un 50% (motor diesel marino, o central térmica con ciclo combinado), mientras que con una pila de combustible el rendimiento máximo teórico se calcula en un 94,5% para un proceso isotérmico, aunque las pilas construidas alcanzan rendimientos máximos en torno al 60%. La explicación está en que en las pilas no se pasa de energía térmica a energía mecánica (que tiene bajo rendimiento) sino directamente de energía química a energía eléctrica.

El hidrógeno en las pilas de combustible.

Las pilas de combustible necesitan hidrógeno como combustible. El hidrógeno, además de ser el combustible de mayor poder calorífico, es el más limpio que existe en términos de contaminación, sólo produce vapor de agua y óxidos de nitrógeno (debido al N₂ del aire) en el proceso de combustión. En una pila de combustible no tienen por qué producirse óxidos de nitrógeno, ya que las temperaturas de trabajo son bajas.

Pero no todo son ventajas para el hidrógeno. Es caro de obtener y difícil de almacenar. Las pilas pueden emplear hidrógeno directamente (almacenado en estado líquido en depósitos) o pueden obtenerlo a partir de gas natural (CH₄) o de metanol (CH₃OH), para ello se recurre a un proceso de reformado más uno de convertido. Las reacción química global que tienen lugar, en el caso de gas natural, es:

CH₄ + 2·H₂O ® CO₂ + 4·H₂

Las reacciones involucradas son endotérmicas, necesitan calor. El calor se puede obtener quemando parte del H₂ que sale del reformador hacia la pila.

El esquema muestra una pila de combustible trabajando con un combustible distinto al hidrógeno:
 

Tipos de pilas de combustible:

Las pilas de combustible se clasifican en función del electrolito. Fundamentalmente son las siguientes:

• Pilas de ácido fosfórico (phosphoric acid fuel cell, PAFC), con temperaturas de trabajo entre 150 y 220ºC. Rendimientos sobre el 60% con hidrógeno.
• Pilas de carbonato fundido (molten carbonate fuel cell, MCFC), con temperaturas de trabajo entre 600 y 700ºC. Rendimientos mayores del 60% con gas natural. El siguiente gráfico muestra las reacciones que tienen lugar en una pila MCFC:

• Pilas de óxido sólido (solid oxide fuel cell, SOFC), con temperaturas de trabajo entre 900 y 1000ºC. Rendimientos mayores del 60% con gas natural.
• Pilas alcalinas (alkaline fuel cell, AFC), con temperaturas de trabajo entre 100 y 250ºC. Rendimientos mayores del 60% con hidrógeno.
• Pilas de polímero sólido (solid polymer fuel cell, SPFC), con temperaturas de trabajo entre 80 y 110ºC. Rendimientos del 60% con hidrógeno y menores con gas natural.

Efectos medioambientales.

Cualquier dispositivo que permita ahorrar energía supone automáticamente una reducción en la emisión de contaminantes. Las pilas de combustible tienen mayor rendimiento que un motor térmico, además trabajan con hidrógeno con lo que la emisión de CO₂ es nula, aunque sí que se produce CO₂ en el proceso de reformado si se parte de gas natural o de metanol. En cuanto al resto de contaminantes, en principio son despreciables.

Por otra parte, tal conforme se encuentra la situación en el sector del automóvil, con una legislación cada vez más exigente en lo que se refiere a la emisión de contaminantes, es de prever que sólo los coches eléctricos, los híbridos o los basados en las pilas de combustible puedan cumplir con la normativa en un futuro.

Las pilas de combustible a base de metanol o de gas natural darían lugar a un vehículo de emisión mínima (VEM), que sería el paso intermedio hacia el de emisión cero.

Las pilas de combustible como plantas de generación de potencia.

Las pilas de combustible como instalaciones de generación de energía eléctrica (centrales eléctricas) presentan las siguientes características:

• Son instalaciones estacionarias, no hay piezas en movimiento con lo que resultan muy silenciosas.
• Son instalaciones de pequeña potencia (la planta de mayor potencia construida hasta 1997 tiene una potencia de 11 MW).
• Permiten concepción modular.
• El elemento que controla el proceso en las pilas es el químico, que es de respuesta lenta, sobre todo debido a los reformadores de combustible, con lo que tardan en adaptarse a las variaciones de carga. Es conveniente que trabajen a plena carga.
• Como producen baja contaminación se pueden instalar dentro de las poblaciones o cerca de los puntos de consumo, con lo que se reducen las pérdidas por transporte de energía eléctrica (ideales para sistemas de generación distribuida).
• Rendimiento elevado y además varía poco con la carga (prácticamente constante hasta el 50% de la carga).
• Se podría aprovechar el calor residual para calefacción de distrito o en cogeneración.

Es difícil sustituir los actuales motores de combustión interna alternativos como plantas motrices en los vehículos automóviles. Aquí vamos a señalar algunas características interesantes de las pilas de combustible en este campo:

• El hidrógeno normalmente se obtiene a partir del metanol en el propio vehículo.
• El metanol tiene menor poder calorífico que la gasolina o el gasoil (aún así, es factible que un automóvil pueda recorrer 500 km con un depósito de 50 litros de metanol).
• Elevado rendimiento (casi el doble que el de los MCIA actuales).
• Producen baja contaminación (CO₂ del reformado, vapor de agua, CO y HC despreciables, y ausencia total de NOx).
• Se estima que con metanol la emisión de CO₂ es un 15% menor que con la mejor tecnología diesel TDI.
• Un compresor, regula la entrada de aire a la pila en función de las necesidades energéticas del motor, y está controlado por el acelerador.
• El calor generado para refrigerar la pila puede emplearse como calefacción del vehículo (los vehículos eléctricos con baterías necesitan una caldera auxiliar para este propósito).
• La recarga de combustible es rápida (sobre 10 minutos). Los vehículos eléctricos necesitan unas 8 horas para una carga "normal".
• De momento no son económicamente viables.

• densidad de potencia: 0,4 – 1 kW/litro
• eficacia: 50-60%
• vida media: 6000 horas
• tiempo de encendido: 5 – 10 segundos.
• Coste del kW instalado: 15000 – 20000 ptas/kW

El grupo PSA Peugeot Citroën, dentro de su programa HYDRO-GEN, tiene previsto lanzar en 1999 un vehículo con pila de combustible a base de hidrógeno y con prestaciones equivalentes a la versión diesel, con una potencia de 30 kW.

También Renault lanzó en 1994 el proyecto Fever, basado en el modelo Laguna Nevada con pila de combustible y alimentado con hidrógeno (almacenado en estado líquido) como combustible, con una potencia de 30 kW y ayudado con baterías de niquel-metal hydrido (NiMH). Renault prevé disponer de vehículos con pila de combustible en el mercado para el 2010.

Nos consta que fabricantes como Chrysler, General Motors, Ford, Daimler Benz, Ballard, Nissan o Volvo, entre otros, están investigando en este campo.

El esquema siguiente muestra la disposición de los distintos elementos de una pila de combustible instalada en un autobús urbano:
 

En la siguiente fotografía se puede apreciar el tamaño de una pila de combustible desarrollada por Ballard para ser instalada en un autobús urbano:
 

Estado de desarrollo de las pilas de combustible.

Según datos de 1997, la potencia total instalada en pilas de combustible en el mundo era de 45 MW. Las pilas más desarrolladas son las de ácido fosfórico, con 250 unidades (84%), seguidas de las de carbonatos fundidos con 35 unidades (12%) y de óxidos sólidos con 12 unidades (4%). La mayoría están instaladas en Japón y en Estados Unidos.

Actualmente están disponibles, o lo estarán a corto plazo, pilas de combustible de 50, 200, 500 kW, 1, 2, 5, y 10 MW. La mayoría de ellas utilizan gas natural como combustible; sin embargo, se está avanzando en la utilización de carbón (gasificado) y combustibles líquidos.

Desde hace muchos años se consideran a las pilas de combustible como la fuente de energía del futuro, pero ese futuro nunca llega. Tal vez las normas de emisión de contaminantes lo consigan.

Bibliografía.

- José Albadalejo y Javier Gegundez. Situación actual de la pilas de combustible. Ingeniería Química. Marzo 1997

- Angel Benito. Pilas de combustible a gas natural. Energía. Mayo-junio 1994.

- Carlos López. Pilas de gas natural para generación eléctrica descentralizada. Energía. Septiembre-octubre 1991

- J. F. Jimenez, B. Ramiro y A. Benito. Instalación para la generación de energía eléctrica mediante una pila de combustible de ácido fosfórico. Energía. Julio-agosto. 1992

- A. Macías. Pilas de combustible: el motor del futuro. Autopista. Octubre. 1994.

- Cerisola, F. Hernández, T.; Marcos, M.J. y Escudero, M.J. Pilas de combustible de membrana poliméricas. Investigación y Ciencia. Nº 256. 1998.

- C. Sánchez. El hidrógeno como combustible. Anuario El País de Ciencia Tecnología y Medio Ambiente. 1995.

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