Una mirada al intrigante mundo de las celdas de combustible

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Las investigaciones científicas y sus diferentes temas de estudio parecen inalcanzables para gran parte de la población, sobre todo cuando…

Las investigaciones científicas y sus diferentes temas de estudio parecen inalcanzables para gran parte de la población, sobre todo cuando formulas químicas y nombres impronunciables salen a la luz. En esta ocasión, se tiene como propósito acercar al lector al fascinante mundo de las celdas de combustible a través de una sencilla y clara explicación. El misterio que ronda a estos dispositivos estará al descubierto.

¿Cuántos de nosotros no hemos escuchado que se acerca una crisis energética mundial? La mayoría tenemos presente el hecho, desgraciadamente es una situación que vemos tan lejana que creemos no nos afectará. Sin embargo, el indiscriminado uso de combustibles fósiles para satisfacer la demanda energética, ha traído como consecuencia el cambio climático, escasez de recursos e incremento de costos no sólo en lo que al sector energético se refiere. No obstante, tendemos a ignorar los problemas que nos aquejan, y en realidad quienes más sufrirán las consecuencias de nuestros actos y decisiones serán las generaciones venideras. Es por ello, que un importante sector de la comunidad científica estudia las diferentes alternativas para la generación de energía prescindiendo de los combustibles convencionales.

Una de las líneas de investigación gira entorno a la energía del hidrógeno. Este es el  elemento más abundante en la naturaleza, y es una fuente de energía alternativa que bien puede sustituir el uso de petróleo, carbón mineral, etc. Sin embargo, al igual que los motores a gasolina, el hidrógeno también requiere de un dispositivo que permita transformarlo en energía eléctrica. Los indicados para llevar a cabo este trabajo son las celdas de combustible de diferentes tipos. Estos dispositivos son capaces de convertir la energía química de un combustible (hidrógeno u otro combustible) en energía eléctrica a través de una reacción de óxido-reducción.

Veamos la Figura 1,  y expliquemos ahora todas las partes que constituyen uno de estos dispositivos. La más importante de todas y conocida como el corazón de la celda de combustible es el ensamble membrana-electrodos, el cual se conforma por un ánodo, un cátodo, el electrolito sólido1 y dos difusores2. Otro elemento importante es el sello3 que evitan la fuga de gases suministrados a la celda. Finalmente, se tienen los platos de grafito con canales de flujo4. Hasta ahora sabemos como se define la celda y las partes que la constituyen, ¿pero cómo funciona?

El hidrógeno se suministra a la celda del lado del ánodo, la molécula al entrar en contacto con el catalizador se oxida, en términos coloquiales podemos decir que se separa en protones y electrones (2H2 ® 4H+ + 4e). Los protones (4H+) se transportan a través de la membrana de intercambio protónico, mientras que los electrones (4e) se ven forzados a viajar por un circuito externo. En ese momento es que se obtiene energía eléctrica útil. Simultáneamente, del lado del cátodo, entra el agente reductor que es el oxígeno (O2) y entra en contacto con el catalizador que al encontrarse con los protones (4H+) y electrones (4e) provenientes la separación del hidrógeno reaccionan (O2 + 4H+ + 4e ® 2H2O) para producir como subproducto vapor de agua pura y calor.

¿Qué dispositivos podrían funcionar con una celda de combustible?

Una vez que sabemos que una celda de combustible puede producir energía eléctrica, es momento de conocer las aplicaciones para este tipo de dispositivo. La respuesta es simple, todos los equipos que necesiten energía eléctrica podrán funcionar conectándoles una celda de combustible, ya que este tipo de celdas son aptas para un sin fin de aplicaciones y  sectores (espaciales, militares, residenciales, etc.)

Una celda como fue descrita anteriormente, puede alimentar equipos que requieren poca energía para su funcionamiento, como por ejemplo una computadora o un teléfono celular, pero para aplicaciones que demanden mayor potencia será necesario conectar muchas de estas celdas (en serie o en paralelo), con el fin de aumentar su capacidad para alimentar equipos de gran potencia. Cuando muchas celdas son conectadas entre si conforman un stack, este conjunto de celdas son las que usan los automóviles o maquinas de gran potencia para  su operación.

Las principales aplicaciones se pueden englobar dentro de 3 grandes grupos:

Þ   Aplicaciones estacionarias: generación eléctrica distribuida y cogeneración.

Þ   Aplicaciones móviles: terrestre , marítimo y aéreo.

Þ   Aplicaciones portátiles:  teléfonos y ordenadores.

Pero si son capaces de alimentar cualquier dispositivo y no contaminan ¿por qué todavía no las vemos en aplicaciones tecnológicas comerciales?  Esto se debe a que es una tecnología que aún se encuentra en desarrollo, mejorando o sustituyendo materiales, para que puedan competir en costo con los sistemas convencionales y alcanzar la rentabilidad del dispositivo.

Muchas leyes se han estado modificando con el fin de promover el uso y desarrollo de tecnologías no contaminantes. La legislación ambiental impulsa a los fabricantes de automóviles a sustituir aquellos vehículos que producen gran cantidad de contaminantes. La mayoría de los fabricantes ven las celdas tipo PEM (proton Exchange membrane) como sucesoras de los motores de combustión interna, empresas como General Motors, Ford, Toyota, etc., ya cuentan con prototipos basados en esta tecnología.

¿Qué se está haciendo para favorecer el desarrollo de las celdas de combustible?

Actualmente en el Centro de Investigación en Energía de la Universidad Nacional Autónoma de México (CIE – UNAM), se realiza investigación básica y aplicada orientada a innovar la tecnología de celdas de combustible. Los trabajos de investigación que se desarrollan en el CIE están encaminados a la reducción del costo y el peso de los dispositivos, asimismo se buscan y analizan recubrimientos baratos que disminuyan o eviten el deterioro de la celda. Para este fin, en el CIE se estudian nuevos materiales basados en mezclas o aleaciones de materiales capaces de resistir al ambiente de operación de la celda, que tengan una larga vida útil, además de producir una cantidad de energía eléctrica similar a la producida con los materiales convencionales. Con el estudio de nuevos materiales se pretende contribuir también a la comercialización de esta prometedora tecnología. Si se encuentra la mezcla adecuada de materiales se podrá prescindir de los costosos materiales comúnmente utilizados como el platino, paladio y oro. A las celdas de combustible se las considera como una tecnología sostenible y amigable con el medio ambiente ya que es posible obtener el hidrógeno directamente del agua, un recurso prácticamente inagotable, y una vez finalizado el proceso de generación de energía eléctrica, el agua -pura- producida por la celda de combustible es reincorporada al ecosistema, para iniciar nuevamente el ciclo de generación de energía eléctrica limpia.

 

1 Membrana de intercambio protónico: polímero que sólo permite el paso de protones, pero su constitución no permite el paso de electrones.

2 Tela o papel de carbón: mantienen el contacto eléctrico entre los electrodos y los platos bipolares.

3 Película de silicón, teflón o elastómero que evita el contacto entre los platos.

4 Los platos permiten el flujo de electrones ya que están hechos de un material eléctricamente conductor, además de proporcionar soporte y estructura a la celda.

Artículo publicado originalmente “Una mirada al intrigante mundo de las celdas de combustible” en el periódico Unión de Morelos por miembros de la Academia de Ciencias de Morelos A.C.



Cómo citar: Autor, C., Dra. Lorena Magallón Cacho / lomac@cie.unam.mx Ing. Gabriela González-Gutiérrez / aggog@cie.unam.mx M. C. José Andrés AlanÍs Navarro / jaaln@cie.unam.mx Dr. Joseph Sebastian Pathiyamattom / sjp@cie.unam.mx Centro de Investigación en Energía – UNAM Laboratorio de Hidrógeno (2018, 21 de Septiembre ) Una mirada al intrigante mundo de las celdas de combustible. Conogasi, Conocimiento para la vida. Fecha de consulta: Julio 12, 2020

Esta obra está disponible bajo una licencia de Creative Commons Reconocimiento-No Comercial Compartir Igual 4.0

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