Pilas de combustible: tipos, principio de funcionamiento y características

2024 Autor: Howard Calhoun | [email protected]. Última modificación: 2024-01-02 13:53

El hidrógeno es un combustible limpio, ya que solo produce agua y proporciona energía limpia utilizando fuentes de energía renovables. Puede almacenarse en una celda de combustible que produce electricidad mediante un dispositivo de conversión electroquímica. El hidrógeno es la fuente de la energía revolucionaria del futuro, pero su desarrollo es aún muy limitado. Razones: energía que es difícil de producir, rentabilidad y balance energético cuestionable debido a la naturaleza intensiva en energía del diseño. Pero esta opción energética ofrece perspectivas interesantes en términos de almacenamiento de energía, especialmente cuando se trata de fuentes renovables.

Pioneros de las pilas de combustible

El concepto fue demostrado con eficacia por Humphry Davy a principios del siglo XIX. Esto fue seguido por el trabajo pionero de Christian Friedrich Schonbein en 1838. A principios de la década de 1960, la NASA, en colaboración con socios industriales, comenzó a desarrollar generadoresde este tipo para vuelos espaciales tripulados. Esto resultó en el primer bloque de PEMFC.

Otro investigador de GE, Leonard Nidrach, ha mejorado el PEMFC de Grubb utilizando platino como catalizador. Grubb-Niedrach se desarrolló aún más en colaboración con la NASA y fue utilizado por el programa espacial Gemini a fines de la década de 1960. International Fuel Cells (IFC, más tarde UTC Power) desarrolló el dispositivo de 1,5 kW para vuelos espaciales Apolo. Proporcionaron electricidad y agua potable a los astronautas durante su misión. Posteriormente, IFC desarrolló las unidades de 12kW utilizadas para proporcionar energía a bordo para todos los vuelos de naves espaciales.

El elemento automotriz fue inventado por primera vez por Grulle en la década de 1960. GM usó Union Carbide en el automóvil "Electrovan". Solo se usaba como automóvil de empresa, pero podía viajar hasta 120 millas con el tanque lleno y alcanzar velocidades de hasta 70 millas por hora. Kordesch y Grulke experimentaron con una motocicleta de hidrógeno en 1966. Era un híbrido celular con una batería de NiCad en tándem que lograba unos impresionantes 1,18 L/100 km. Este movimiento ha avanzado en la tecnología de bicicletas eléctricas y en la comercialización de motocicletas eléctricas.

En 2007, las fuentes de combustible comenzaron a comercializarse en una amplia variedad de áreas, comenzaron a venderse a usuarios finales con garantías escritas y capacidades de servicio, es decir, cumplir con los requisitos y normas de una economía de mercado. Así, una serie de segmentos del mercado comenzaron a centrarse en la demanda. En particular, miles de energía auxiliarLas unidades PEMFC y DMFC (APU) se han comercializado en aplicaciones de entretenimiento: barcos, juguetes y kits de entrenamiento.

Horizon en octubre de 2009 mostró el primer sistema electrónico comercial Dynario que funciona con cartuchos de metanol. Las pilas de combustible Horizon pueden cargar teléfonos móviles, sistemas GPS, cámaras o reproductores de música digital.

Procesos de producción de hidrógeno

Las pilas de combustible de hidrógeno son sustancias que contienen hidrógeno como combustible. El combustible de hidrógeno es un combustible de cero emisiones que libera energía durante la combustión o mediante reacciones electroquímicas. Las pilas de combustible y las baterías producen electricidad a través de una reacción química, pero las primeras producirán energía mientras haya combustible, por lo que nunca perderán la carga.

Los procesos térmicos para producir hidrógeno suelen implicar el reformado con vapor, un proceso a alta temperatura en el que el vapor reacciona con una fuente de hidrocarburo para liberar hidrógeno. Muchos combustibles naturales se pueden reformar para producir hidrógeno.

Actualmente, aproximadamente el 95 % del hidrógeno se produce a partir del reformado de gas. El agua se divide en oxígeno e hidrógeno mediante electrólisis, en un dispositivo que funciona como una pila de combustible Horizon Zero a la inversa.

Procesos basados en energía solar

Utilizan la luz como agente para producir hidrógeno. existevarios procesos basados en paneles solares:

1. fotobiológico;
2. fotoelectroquímica;
3. soleado;
4. termoquímica.

Los procesos fotobiológicos utilizan la actividad fotosintética natural de bacterias y algas verdes.

Los procesos fotoelectroquímicos son semiconductores especializados para separar el agua en hidrógeno y oxígeno.

La producción solar termoquímica de hidrógeno utiliza energía solar concentrada para la reacción de separación del agua junto con otras especies como los óxidos metálicos.

Los procesos biológicos utilizan microbios como bacterias y microalgas y pueden producir hidrógeno a través de reacciones biológicas. En la conversión de biomasa microbiana, los microbios descomponen la materia orgánica como la biomasa, mientras que en los procesos fotobiológicos, los microbios utilizan la luz solar como fuente.

Componentes de generación

Los dispositivos de los elementos se componen de varias partes. Cada uno tiene tres componentes principales:

• ánodo;
• cátodo;
• electrolito conductor.

En el caso de las celdas de combustible Horizon, donde cada electrodo está hecho de un material de gran área superficial impregnado con un catalizador de aleación de platino, el material del electrolito es una membrana y sirve como conductor de iones. La generación eléctrica es impulsada por dos reacciones químicas primarias. Para elementos que usan puroH_2.

El gas hidrógeno en el ánodo se divide en protones y electrones. Los primeros se transportan a través de la membrana electrolítica y los segundos fluyen a su alrededor, generando una corriente eléctrica. Los iones cargados (H + y e -) se combinan con O_{2 en el cátodo, liberando agua y calor. Los múltiples problemas ambientales que afectan al mundo actual están movilizando a la sociedad para lograr un desarrollo sostenible y avanzar hacia la protección del planeta. Aquí en el contexto, el factor clave es la sustitución de los recursos energéticos básicos reales por otros que puedan satisfacer plenamente las necesidades humanas.}

Los elementos en cuestión no son más que un dispositivo de este tipo, gracias al cual este aspecto encuentra la solución más probable, ya que es posible obtener energía eléctrica a partir de combustibles limpios con alta eficiencia y sin emisiones de CO2_2.

Catalizadores de platino

El platino es muy activo para la oxidación de hidrógeno y sigue siendo el material electrocatalizador más común. Una de las principales áreas de investigación de Horizon que utiliza celdas de combustible reducidas en platino es la industria automotriz, donde se planean en un futuro cercano catalizadores diseñados a partir de nanopartículas de platino soportadas en carbono conductor. Estos materiales tienen la ventaja de nanopartículas altamente dispersas, área de superficie electrocatalítica alta (ESA) y crecimiento mínimo de partículas a temperaturas elevadas, incluso a niveles de carga de Pt más altos.

Las aleaciones que contienen

Pt son útiles para dispositivos que funcionan con fuentes de combustible especializadas como metanol o reformado (H₂, CO₂, CO y N_{2). Las aleaciones de Pt/Ru han mostrado un rendimiento mejorado sobre los catalizadores de Pt electroquímicos puros en términos de oxidación de metanol y sin posibilidad de envenenamiento por monóxido de carbono. Pt 3 Co es otro catalizador de interés (especialmente para los cátodos de celdas de combustible de Horizon) y ha demostrado una mayor eficiencia en la reacción de reducción de oxígeno, así como una alta estabilidad.}

Catalizadores de Pt/C y Pt 3 Co/C que muestran nanopartículas altamente dispersas en sustratos de carbono superficiales. Hay varios requisitos clave a tener en cuenta al elegir un electrolito de pila de combustible:

1. Alta conductividad de protones.
2. Alta estabilidad química y térmica.
3. Baja permeabilidad al gas.

Fuente de energía de hidrógeno

El hidrógeno es el elemento más simple y abundante del universo. Es un componente importante del agua, el petróleo, el gas natural y todo el mundo viviente. A pesar de su simplicidad y abundancia, el hidrógeno rara vez se encuentra en su estado gaseoso natural en la Tierra. Casi siempre se combina con otros elementos. Y puede derivarse del petróleo, el gas natural, la biomasa o separar el agua mediante energía solar o eléctrica.

Una vez que el hidrógeno se forma como H molecular₂, la energía presente en la molécula puede liberarse por interaccióncon O₂. Esto se puede lograr con motores de combustión interna o con pilas de combustible de hidrógeno. En ellos, la energía H_{2 se convierte en corriente eléctrica con bajas pérdidas de potencia. Por lo tanto, el hidrógeno es un portador de energía para mover, almacenar y entregar energía producida a partir de otras fuentes.}

Filtros para módulos de potencia

Obtener elementos de energía alternativa es imposible sin el uso de filtros especiales. Los filtros clásicos ayudan en el desarrollo de módulos de potencia de elementos en diferentes países del mundo debido a bloques de alta calidad. Los filtros se suministran para preparar combustible como metanol para aplicaciones de celdas.

Típicamente, las aplicaciones para estos módulos de energía incluyen suministro de energía en ubicaciones remotas, energía de respaldo para suministros críticos, APU en vehículos pequeños y aplicaciones marinas como Project Pa-X-ell, que es un proyecto para probar celdas en barcos de pasajeros.

Carcasas de filtro de acero inoxidable que solucionan los problemas de filtración. En estas exigentes aplicaciones, los fabricantes de celdas de combustible Zero Dawn están especificando las carcasas de filtro de acero inoxidable de Classic Filters debido a la flexibilidad de producción, estándares de calidad más altos, entregas rápidas y precios competitivos.

Plataforma de tecnología de hidrógeno

Horizon Fuel Cell Technologies se fundó en Singapur en 2003 y hoy cuenta con 5 filiales internacionales. La misión de la firma esmarcar la diferencia en las celdas de combustible trabajando a nivel mundial para lograr una comercialización rápida, reducir los costos de tecnología y eliminar las antiguas barreras para el suministro de hidrógeno. La empresa comenzó con productos pequeños y simples que requieren bajas cantidades de hidrógeno en preparación para aplicaciones más grandes y complejas. Siguiendo pautas estrictas y una hoja de ruta, Horizon se ha convertido rápidamente en el fabricante de celdas a granel de menos de 1000 W más grande del mundo y atiende a clientes en más de 65 países con la selección más amplia de productos comerciales en la industria.

La plataforma tecnológica de Horizon consta de: PEM - Celdas de combustible Horizon Zero Dawn (microcombustible y pilas) y sus materiales, suministro de hidrógeno (electrólisis, reformado e hidrólisis), dispositivos y dispositivos de almacenamiento de hidrógeno.

Horizon ha lanzado el primer generador de hidrógeno portátil y personal del mundo. La estación HydroFill puede generar hidrógeno descomponiendo agua en un tanque y almacenándola en cartuchos HydroStick. Contienen una aleación absorbente de hidrógeno gaseoso para proporcionar almacenamiento sólido. Luego, los cartuchos se pueden insertar en un cargador MiniPak que puede manejar pequeños elementos de filtro de combustible.

Horizonte o hidrógeno casero

Horizon Technologies lanza un sistema de almacenamiento de energía y carga de hidrógeno para uso doméstico, ahorrando energía en el hogar para cargar dispositivos portátiles. Horizon se distinguió en 2006 con el juguete "H-racer", un pequeño automóvil impulsado por hidrógeno votado como "mejor invento" del año. ofertas horizontedescentralizar el almacenamiento de energía en el hogar con su estación de carga de hidrógeno Hydrofill, que es capaz de recargar pequeñas baterías portátiles y reutilizables. Esta planta de hidrógeno solo necesita agua para funcionar y generar energía.

El trabajo lo puede proporcionar la red, los paneles solares o una turbina eólica. A partir de ahí, el hidrógeno se extrae del tanque de agua de la estación y se almacena en forma sólida en pequeñas celdas de aleación de metal. Hydrofill Station, que se vende al por menor por alrededor de $ 500, es una solución de vanguardia para teléfonos. Dónde encontrar pilas de combustible Hydrofill a este precio no es difícil para los usuarios, solo necesita realizar la solicitud correspondiente en Internet.

Carga de hidrógeno del coche

Al igual que los autos eléctricos que funcionan con baterías, los que funcionan con hidrógeno también usan electricidad para conducir el auto. Pero en lugar de almacenar esta electricidad en baterías que tardan horas en cargarse, las celdas generan energía a bordo del automóvil al hacer reaccionar hidrógeno y oxígeno. La reacción tiene lugar en presencia de un electrolito, un conductor no metálico, en el que el flujo eléctrico es transportado por el movimiento de iones en dispositivos donde las celdas de combustible Horizon Zero están equipadas con membranas de intercambio de protones. Funcionan de la siguiente manera:

1. Se suministra hidrógeno gaseoso al ánodo "-" (A) de la celda, y el oxígeno se dirige al polo positivo.
2. En el ánodo el catalizador es platino,descarta electrones de los átomos de hidrógeno, dejando iones "+" y electrones libres. Solo los iones pasan a través de la membrana ubicada entre el ánodo y el cátodo.
3. Los electrones crean corriente eléctrica al moverse a lo largo de un circuito externo. En el cátodo, los electrones y los iones de hidrógeno se combinan con el oxígeno para producir agua que sale de la celda.

Hasta ahora, dos cosas han obstaculizado la producción a gran escala de vehículos impulsados por hidrógeno: el costo y la producción de hidrógeno. Hasta hace poco, el catalizador de platino, que descompone el hidrógeno en un ion y un electrón, era prohibitivamente caro.

Hace algunos años, las celdas de combustible de hidrógeno costaban alrededor de $1,000 por cada kilovatio de energía, o alrededor de $100,000 por un automóvil. Se llevaron a cabo varios estudios para reducir el costo del proyecto, incluido el reemplazo del catalizador de platino con una aleación de platino y níquel que es 90 veces más eficiente. El año pasado, el Departamento de Energía de los EE. UU. informó que el costo del sistema se había reducido a $61 por kilovatio, lo cual aún no es competitivo en la industria automotriz.

Tomografía computarizada de rayos X

Este método de ensayo no destructivo se utiliza para estudiar la estructura de un elemento de dos capas. Otros métodos comúnmente utilizados para estudiar la estructura:

• porosimetría de intrusión de mercurio;
• microscopía de fuerza atómica;
• perfilometría óptica.

Los resultados muestran que la distribución de porosidad tiene una base sólida para calcular la conductividad térmica y eléctrica, la permeabilidad y ladifusión. La medición de la porosidad de los elementos es muy difícil debido a su geometría delgada, comprimible y no homogénea. El resultado muestra que la porosidad disminuye con la compresión GDL.

La estructura porosa tiene un impacto significativo en la transferencia de masa en el electrodo. El experimento se llevó a cabo a varias presiones de prensado en caliente, que oscilaron entre 0,5 y 10 MPa. El rendimiento depende principalmente del metal platino, cuyo costo es muy alto. La difusión se puede aumentar mediante el uso de aglutinantes químicos. Además, los cambios de temperatura afectan la vida útil y el rendimiento promedio del elemento. La tasa de degradación de las PEMFC de alta temperatura es inicialmente baja y luego aumenta rápidamente. Esto se utiliza para determinar la formación de agua.

Problemas de comercialización

Para ser competitivo en costos, los costos de las celdas de combustible deben reducirse a la mitad y la vida útil de la batería debe extenderse de manera similar. Sin embargo, hoy en día, los costos operativos siguen siendo mucho más altos, ya que los costos de producción de hidrógeno oscilan entre $ 2,5 y $ 3, y es poco probable que el hidrógeno suministrado cueste menos de $ 4 / kg. Para que la celda compita efectivamente con las baterías, debe tener un tiempo de carga corto y minimizar el proceso de reemplazo de la batería.

Actualmente, la tecnología de celdas de combustible poliméricas costará US$49/kW cuando se produzca en masa (al menos 500.000 unidades por año). Sin embargo, para competir con los cochescombustión interna, las celdas de combustible para automóviles deberían alcanzar alrededor de $36/kWh. Se pueden lograr ahorros reduciendo los costos de materiales (en particular, el uso de platino), aumentando la densidad de potencia, reduciendo la complejidad del sistema y aumentando la durabilidad. Hay varios desafíos para comercializar la tecnología a gran escala, incluida la superación de una serie de barreras técnicas.

Retos técnicos del futuro

El costo de una pila depende del material, la técnica y las técnicas de fabricación. La elección del material depende no solo de la idoneidad del material para la función, sino también de la trabajabilidad. Tareas clave de los elementos:

1. Reduce la carga del electrocatalizador y aumenta la actividad.
2. Mejora la durabilidad y reduce la degradación.
3. Optimización del diseño de electrodos.
4. Mejora la tolerancia a las impurezas en el ánodo.
5. Selección de materiales para componentes. Se basa principalmente en el costo sin sacrificar el rendimiento.
6. Tolerancia a fallos del sistema.
7. El rendimiento del elemento depende principalmente de la resistencia de la membrana.

Los principales parámetros de GDL que afectan el rendimiento de la celda son la permeabilidad de los reactivos, la conductividad eléctrica, la conductividad térmica y el soporte mecánico. El grosor de GDL es un factor importante. Una membrana más gruesa proporciona mejor protección, resistencia mecánica, rutas de difusión más largas y mayores niveles de resistencia térmica y eléctrica.

Tendencias progresivas

Entre los diversos tipos de elementos, PEMFC se está adaptando cada vez más a las aplicaciones móviles (coches, portátiles, teléfonos móviles, etc.), por lo que es de creciente interés para un amplio abanico de fabricantes. De hecho, PEMFC tiene muchas ventajas, como baja temperatura de funcionamiento, alta estabilidad de densidad de corriente, peso ligero, tamaño compacto, bajo costo y potencial de volumen, larga vida útil, arranques rápidos y adecuación para operación intermitente.

La tecnología PEMFC se adapta bien a una variedad de tamaños y también se utiliza con una variedad de combustibles cuando se procesa adecuadamente para producir hidrógeno. Como tal, encuentra uso desde la pequeña escala de subvatios hasta la escala de megavatios. El 88 % de los envíos totales en 2016-2018 fueron PEMFC.