Recordemos que una pila es un dispositivo electroquímico en el que se introduce combustible y comburente (que es normalmente, el oxígeno del aire) y que nos devuelve energía eléctrica en continuo. Se trata de una manera de almacenar y producir energía, que podría facilitarnos el paso de nuestra economía actual (basada en hidrocarburos del petróleo o de gas natural) a una nueva de hidrógeno que obtenga energía eléctrica de forma limpia.
Por eso, hoy vamos a hablar de los tipos de pilas de combustible (recomendamos refrescar qué es una pila, y este post sobre el hidrógeno).
Con el número 1... tenemos a las pilas alcalinas (AFC), cuya membrana consiste en una disolución de sosa (NaOH) o potasa (KOH) al 80%, es decir, que es una solución bastante corrosiva. Tienen una alta eficiencia, y su principal desventaja es que requiere gases muy puros sin trazas de dióxido de carbono (no se puede usar hidrógeno proveniente del reformado de petróleo, o si se usa, es necesaria una etapa previa de limpieza del gas hidrógeno) ya que bastaría una pequeña cantidad para que se produjeran carbonatos y disminuyera su actividad. Presentan una dificultad añadida que es que el electrolito se va agotando y hay que recircularlo.
El número 2 son las pilas con membrana de intercambio protónico o poliméricas (PEMFC): el alectrolito es un polímero conductor protónico, es decir una lámina de Nafion (que es un polímero con grupos sulfónico). Los electrodos son de platino, con el inconveniente de que son fácilmente "envenenables" con trazas de dióxido de carbono, y por tanto, se inactivan. Son pilas muy versátiles y eficientes que emplean para su construcción materiales sencillos y que son de fácil instalación y mantenimiento. Entre las desventajas cabe señalar la gestión del agua que se genera (los protones pasan solvatados, así que hay que someter el hidrógeno a saturación para que aporte agua y esto genera restricciones de temperatura), además el platino es caro y para evitar el envenenamiento habría que purificar el hidrógeno que se introduce en la pila.
Pasamos al número 3: llamadas de metanol directo o DMFC, el electrolito es el mismo que en las anteriores, pero la diferencia es que la alimentación es con metanol y agua. Necesitan un aditivo en la membrana de Nafion, para evitar el "cross-over" de metanol. El inconveniente mayor es que se genera monóxido de carbono en el proceso, que además de ser tóxico, envenena los catalizadores así que se han de usar catalizadores modificados de platino-rutenio.
Y el número 4 son las pilas de ácido fosfórico (PAFC), en las que la membrana es una disolución de ácido fosfórico y para que no sea líquida, lo que se hace es embeberla en una matriz de sílice. Así, tenemos sílice recubierta de una capa de ácido fosfórico que ha de ir reponiéndose.
Llegamos al número 5 con las pilas de carbonato fundido. Casi todas llevan un proceso adicional de reformado interno con acoplamiento de calor. Lo que se transfiere son iones carbonato, y es necesaria su reposición. Antes del reformado es necesaria una etapa de desulfuración porque los catalizadores son muy sensibles al azufre. Sus principales inconvenientes son su gran tamaño, que es difícil reciclar el dióxido de carbono y la dificultad de utilizar electrolitos líquidos (carbonatos fundidos a alta temperatura).
Por último en esta carrera de fondo, las pilas de óxido sólido (SOFC), donde el electrolito es un sistema cerámico a alta temperatura (1000-1100ºC) o bien óxidos refractarios. Requieren un tiempo de pre-calentamiento inicial, por lo que sería ideal trabajar en continuo. No son útiles para pequeñas aplicaciones y son de construcción larga. Aquí en XDCiencia nos explican un nuevo avance
La investigación debe ir hacia disminuir su peso, su volumen y su precio, y mejorar los electrodos, los electrolitos y conseguir una generación limpia del hidrógeno.
Referencias
Apuntes de la asignatura de Energías Sostenibles, impartida por Félix Sánchez Alonso (las imágenes proceden de sus diapositivas) en el máster de Química Sostenible.
El número 2 son las pilas con membrana de intercambio protónico o poliméricas (PEMFC): el alectrolito es un polímero conductor protónico, es decir una lámina de Nafion (que es un polímero con grupos sulfónico). Los electrodos son de platino, con el inconveniente de que son fácilmente "envenenables" con trazas de dióxido de carbono, y por tanto, se inactivan. Son pilas muy versátiles y eficientes que emplean para su construcción materiales sencillos y que son de fácil instalación y mantenimiento. Entre las desventajas cabe señalar la gestión del agua que se genera (los protones pasan solvatados, así que hay que someter el hidrógeno a saturación para que aporte agua y esto genera restricciones de temperatura), además el platino es caro y para evitar el envenenamiento habría que purificar el hidrógeno que se introduce en la pila.
Pasamos al número 3: llamadas de metanol directo o DMFC, el electrolito es el mismo que en las anteriores, pero la diferencia es que la alimentación es con metanol y agua. Necesitan un aditivo en la membrana de Nafion, para evitar el "cross-over" de metanol. El inconveniente mayor es que se genera monóxido de carbono en el proceso, que además de ser tóxico, envenena los catalizadores así que se han de usar catalizadores modificados de platino-rutenio.
Y el número 4 son las pilas de ácido fosfórico (PAFC), en las que la membrana es una disolución de ácido fosfórico y para que no sea líquida, lo que se hace es embeberla en una matriz de sílice. Así, tenemos sílice recubierta de una capa de ácido fosfórico que ha de ir reponiéndose.
Llegamos al número 5 con las pilas de carbonato fundido. Casi todas llevan un proceso adicional de reformado interno con acoplamiento de calor. Lo que se transfiere son iones carbonato, y es necesaria su reposición. Antes del reformado es necesaria una etapa de desulfuración porque los catalizadores son muy sensibles al azufre. Sus principales inconvenientes son su gran tamaño, que es difícil reciclar el dióxido de carbono y la dificultad de utilizar electrolitos líquidos (carbonatos fundidos a alta temperatura).
Por último en esta carrera de fondo, las pilas de óxido sólido (SOFC), donde el electrolito es un sistema cerámico a alta temperatura (1000-1100ºC) o bien óxidos refractarios. Requieren un tiempo de pre-calentamiento inicial, por lo que sería ideal trabajar en continuo. No son útiles para pequeñas aplicaciones y son de construcción larga. Aquí en XDCiencia nos explican un nuevo avance
La investigación debe ir hacia disminuir su peso, su volumen y su precio, y mejorar los electrodos, los electrolitos y conseguir una generación limpia del hidrógeno.
Referencias
Apuntes de la asignatura de Energías Sostenibles, impartida por Félix Sánchez Alonso (las imágenes proceden de sus diapositivas) en el máster de Química Sostenible.
Este post participa en el XVII Carnaval de Química alojado en el blog Un geólogo en apuros
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