pila de combustible

Una pila de combustible es una celda electroquímica que convierte la energía química de un combustible (a menudo hidrógeno ) y un agente oxidante (a menudo oxígeno) ^{[ 1 ]} en electricidad mediante un par de reacciones redox . ^{[ 2 ]} Las pilas de combustible se diferencian de la mayoría de las baterías en que requieren un suministro continuo de combustible y oxígeno (generalmente del aire) para mantener la reacción química, mientras que en una batería la energía química suele provenir de sustancias que ya están presentes en la batería. ^{[ 3 ]} Las pilas de combustible pueden producir electricidad de forma continua mientras se les suministre combustible y oxígeno.

Las primeras pilas de combustible fueron inventadas por Sir William Grove en 1838. El primer uso comercial de las pilas de combustible se produjo casi un siglo después, tras la invención de la pila de combustible de hidrógeno-oxígeno por Francis Thomas Bacon en 1932. La pila de combustible alcalina , también conocida como pila de combustible Bacon por su inventor, se ha utilizado en los programas espaciales de la NASA desde mediados de la década de 1960 para generar energía para satélites y cápsulas espaciales . Desde entonces, las pilas de combustible se han utilizado en muchas otras aplicaciones. Se utilizan como fuente de energía principal y de respaldo para edificios comerciales, industriales y residenciales, así como en zonas remotas o inaccesibles. También se utilizan para alimentar vehículos con pilas de combustible , como carretillas elevadoras, automóviles, autobuses, ^{[ 4 ]} trenes, barcos, motocicletas y submarinos.

Existen muchos tipos de pilas de combustible, pero todas constan de un ánodo , un cátodo y un electrolito que permite el movimiento de iones, generalmente iones de hidrógeno con carga positiva (protones), entre ambos lados de la pila. En el ánodo, un catalizador provoca reacciones de oxidación del combustible que generan iones (generalmente iones de hidrógeno con carga positiva) y electrones. Los iones se desplazan del ánodo al cátodo a través del electrolito. Simultáneamente, los electrones fluyen del ánodo al cátodo a través de un circuito externo, produciendo electricidad de corriente continua . En el cátodo, otro catalizador provoca la reacción de iones, electrones y oxígeno, formando agua y posiblemente otros productos. Las pilas de combustible se clasifican según el tipo de electrolito que utilizan y la diferencia en el tiempo de arranque, que varía desde 1 segundo para las pilas de combustible de membrana de intercambio protónico (PEM o PEMFC) hasta 10 minutos para las pilas de combustible de óxido sólido (SOFC). Una tecnología relacionada son las baterías de flujo , en las que el combustible se puede regenerar mediante recarga. Las celdas de combustible individuales producen potenciales eléctricos relativamente pequeños, de aproximadamente 0,7 voltios, por lo que se "apilan" o se colocan en serie para crear el voltaje suficiente para cumplir con los requisitos de una aplicación. ^{[ 5 ]} Además de electricidad, las celdas de combustible producen vapor de agua, calor y, dependiendo de la fuente de combustible, cantidades muy pequeñas de dióxido de nitrógeno y otras emisiones. Las celdas PEMFC generalmente producen menos óxidos de nitrógeno que las celdas SOFC: operan a temperaturas más bajas, utilizan hidrógeno como combustible y limitan la difusión de nitrógeno en el ánodo a través de la membrana de intercambio de protones, que forma NOx . La eficiencia energética de una celda de combustible generalmente está entre el 40 y el 60%; sin embargo, si se captura el calor residual en un esquema de cogeneración , se pueden obtener eficiencias de hasta el 85%. ^{[ 6 ]}

Historia

Las primeras referencias a las pilas de combustible de hidrógeno aparecieron en 1838. En una carta fechada en octubre de 1838, pero publicada en la edición de diciembre de 1838 de The London and Edinburgh Philosophical Magazine and Journal of Science , el físico y abogado galés Sir William Grove escribió sobre el desarrollo de sus primeras pilas de combustible rudimentarias. Utilizó una combinación de láminas de hierro, cobre y placas de porcelana, y una solución de sulfato de cobre y ácido diluido. ^{[ 7 ]}^{[ 8 ]} En una carta a la misma publicación, escrita en diciembre de 1838 pero publicada en junio de 1839, el físico alemán Christian Friedrich Schönbein habló sobre la primera pila de combustible rudimentaria que había inventado. Su carta trataba sobre la corriente generada a partir de hidrógeno y oxígeno disueltos en agua. ^{[ 9 ]} Grove posteriormente esbozó su diseño, en 1842, en la misma revista. La pila de combustible que fabricó utilizaba materiales similares a los de la pila de combustible de ácido fosfórico actual . ^{[ 10 ]}^{[ 11 ]}

En 1932, el ingeniero inglés Francis Thomas Bacon desarrolló con éxito una pila de combustible estacionaria de 5 kW. ^{[ 12 ]} La NASA utilizó la pila de combustible alcalina (AFC), también conocida como pila de combustible Bacon en honor a su inventor, desde mediados de la década de 1960. ^{[ 12 ]}^{[ 13 ]}

En 1955, W. Thomas Grubb, químico de General Electric Company (GE), modificó el diseño original de la pila de combustible utilizando una membrana de intercambio iónico de poliestireno sulfonado como electrolito. Tres años después, otro químico de GE, Leonard Niedrach, ideó un método para depositar platino sobre la membrana, que actuaba como catalizador para las reacciones necesarias de oxidación de hidrógeno y reducción de oxígeno. Esto se conoció como la "pila de combustible Grubb-Niedrach". ^{[ 14 ]}^{[ 15 ]} GE continuó desarrollando esta tecnología con la NASA y McDonnell Aircraft, lo que llevó a su uso durante el Proyecto Gemini . Este fue el primer uso comercial de una pila de combustible. En 1959, un equipo liderado por Harry Ihrig construyó un tractor con pila de combustible de 15 kW para Allis-Chalmers , que se presentó en ferias estatales de todo Estados Unidos. Este sistema utilizaba hidróxido de potasio como electrolito e hidrógeno y oxígeno comprimidos como reactivos. Más tarde, en 1959, Bacon y sus colegas demostraron una unidad práctica de cinco kilovatios capaz de alimentar una máquina de soldar. En la década de 1960, Pratt & Whitney obtuvo la licencia de las patentes estadounidenses de Bacon para su uso en el programa espacial estadounidense con el fin de suministrar electricidad y agua potable (ya que el hidrógeno y el oxígeno estaban fácilmente disponibles en los tanques de las naves espaciales).

Número de familias de patentes (líneas continuas) y publicaciones no relacionadas con patentes sobre diferentes fuentes de energía electroquímicas por año. La línea magenta también muestra el precio del petróleo ajustado a la inflación en US$/litro en escala lineal.

UTC Power fue la primera empresa en fabricar y comercializar un sistema de pila de combustible estacionaria de gran tamaño para su uso como planta de cogeneración en hospitales, universidades y grandes edificios de oficinas. ^{[ 16 ]}

En reconocimiento a la industria de las pilas de combustible y al papel de Estados Unidos en su desarrollo, el Senado de los Estados Unidos declaró el 8 de octubre de 2015 como el Día Nacional del Hidrógeno y las Pilas de Combustible , mediante la aprobación de la Resolución S. RES 217. La fecha fue elegida en reconocimiento al peso atómico del hidrógeno (1,008). ^{[ 17 ]}

Tipos de pilas de combustible; diseño

Existen muchas variedades de pilas de combustible; sin embargo, todas funcionan de manera similar. Están compuestas por tres segmentos adyacentes: el ánodo , el electrolito y el cátodo . En la interfaz de estos tres segmentos se producen dos reacciones químicas. El resultado de estas reacciones es el consumo de combustible, la generación de agua o dióxido de carbono y la producción de una corriente eléctrica que puede utilizarse para alimentar dispositivos eléctricos, conocidos como carga.

En el ánodo, un catalizador ioniza el combustible, transformándolo en un ion con carga positiva y un electrón con carga negativa. El electrolito es una sustancia diseñada específicamente para que los iones puedan atravesarlo, pero los electrones no. Los electrones liberados viajan a través de un cable, generando una corriente eléctrica. Los iones viajan a través del electrolito hasta el cátodo. Una vez en el cátodo, los iones se recombinan con los electrones y ambos reaccionan con una tercera sustancia química, generalmente oxígeno, para formar agua o dióxido de carbono.

Las características de diseño de una pila de combustible incluyen:

La sustancia electrolítica, que generalmente define el tipo de celda de combustible, puede estar compuesta por diversas sustancias como hidróxido de potasio, carbonatos de sal y ácido fosfórico. ^{[ 18 ]}
El combustible más utilizado es el hidrógeno.
El catalizador del ánodo, generalmente polvo fino de platino, descompone el combustible en electrones e iones.
El catalizador del cátodo, a menudo níquel, convierte los iones en productos químicos de desecho, siendo el agua el tipo de desecho más común. ^{[ 19 ]}
Capas de difusión de gas diseñadas para resistir la oxidación. ^{[ 19 ]}

Una pila de combustible típica produce un voltaje de 0,6 a 0,7 V a plena carga. El voltaje disminuye a medida que aumenta la corriente, debido a varios factores:

Pérdida de activación
Pérdida óhmica ( caída de voltaje debido a la resistencia de los componentes de la celda y las interconexiones)
Pérdida por transporte de masa (agotamiento de reactivos en los sitios del catalizador bajo cargas elevadas, lo que provoca una rápida pérdida de voltaje). ^{[ 20 ]}

Para suministrar la cantidad de energía deseada, las pilas de combustible se pueden conectar en serie para obtener un voltaje mayor y en paralelo para permitir el suministro de una corriente mayor . Este diseño se denomina pila de pilas de combustible . También se puede aumentar la superficie de cada pila para permitir una mayor corriente.

Celdas de combustible de membrana de intercambio de protones

Condensación del agua producida por una celda de combustible PEM en la pared del canal de aire. El hilo de oro que rodea la celda asegura la recolección de corriente eléctrica. ^{[ 22 ]}

En el diseño arquetípico de la celda de combustible de membrana de intercambio de protones de óxido de hidrógeno (PEMFC), una membrana de polímero conductora de protones (típicamente Nafion ) contiene la solución electrolítica que separa el ánodo y el cátodo . ^{[ 24 ]}^{[ 25 ]} A principios de la década de 1970, antes de que se comprendiera bien el mecanismo de intercambio de protones, se la denominaba celda de combustible de electrolito de polímero sólido ( SPEFC ). (Nótese que los sinónimos membrana de electrolito de polímero y mecanismo de intercambio de protones dan como resultado el mismo acrónimo ).

En el ánodo, el hidrógeno se difunde hacia el catalizador anódico, donde posteriormente se disocia en protones y electrones. Estos protones suelen reaccionar con oxidantes, formando lo que comúnmente se conoce como membranas de protones multifacilitadas. Los protones se conducen a través de la membrana hacia el cátodo, pero los electrones se ven obligados a circular por un circuito externo (que suministra energía) debido a que la membrana es eléctricamente aislante. En el catalizador catódico, las moléculas de oxígeno reaccionan con los electrones (que han circulado por el circuito externo) y los protones para formar agua.

Además del hidrógeno puro, existen combustibles de hidrocarburos para pilas de combustible, como el diésel , el metanol ( véase pilas de combustible de metanol directo y pilas de combustible de metanol indirecto ) y los hidruros químicos. Los residuos de estos combustibles son dióxido de carbono y agua. Al utilizar hidrógeno, el CO₂ _se libera cuando el metano del gas natural se combina con vapor, en un proceso denominado reformado de metano con vapor , para producir hidrógeno. Este proceso puede realizarse en un lugar distinto a la pila de combustible, lo que permite su uso en interiores, por ejemplo, en carretillas elevadoras.

Los diferentes componentes de una PEMFC son:

placas bipolares,
electrodos ,
catalizador ,
membrana y
el hardware necesario, como colectores de corriente y juntas. ^{[ 26 ]}

Los materiales utilizados para las diferentes partes de las celdas de combustible difieren según el tipo. Las placas bipolares pueden estar hechas de diferentes tipos de materiales, como metal, metal recubierto, grafito , grafito flexible, compuesto C–C , compuestos de carbono - polímero , etc. ^{[ 27 ]} El conjunto de electrodo de membrana (MEA) se denomina el corazón de la PEMFC y generalmente está hecho de una membrana de intercambio de protones intercalada entre dos papeles de carbono recubiertos de catalizador . El platino y/o tipos similares de metales nobles se utilizan generalmente como catalizador para PEMFC, y estos pueden contaminarse con monóxido de carbono , lo que requiere un combustible de hidrógeno relativamente puro. ^[²⁸^] El electrolito podría ser una membrana de polímero .

Problemas de diseño de las celdas de combustible de membrana de intercambio de protones

Costo: En 2013, el Departamento de Energía estimó que los costos de los sistemas de celdas de combustible automotrices de 80 kW podrían alcanzarse en US$67 por kilovatio, suponiendo una producción en volumen de 100,000 unidades automotrices por año y US$55 por kilovatio podrían alcanzarse, suponiendo una producción en volumen de 500,000 unidades por año. ^{[ 29 ]} Muchas empresas están trabajando en técnicas para reducir el costo de diversas maneras, incluyendo la reducción de la cantidad de platino necesaria en cada celda individual. Ballard Power Systems ha experimentado con un catalizador mejorado con seda de carbono, que permite una reducción del 30% (1.0–0.7 mg/cm ² ) en el uso de platino sin reducción en el rendimiento. ^{[ 30 ]} La Universidad de Monash , Melbourne, utiliza PEDOT como cátodo . ^{[ 31 ]} Un estudio publicado en 2011 ^{[ 32 ]} documentó el primer electrocatalizador libre de metales que utiliza nanotubos de carbono dopados relativamente económicos , cuyo costo es inferior al 1 % del del platino y que ofrecen un rendimiento igual o superior. Un artículo publicado recientemente demostró cómo cambian las cargas ambientales al utilizar nanotubos de carbono como sustrato de carbono para el platino. ^{[ 33 ]}
Gestión del agua y del aire ^{[ 34 ]}^{[ 35 ]} (en PEMFC): En este tipo de pila de combustible, la membrana debe mantenerse hidratada, lo que requiere que el agua se evapore exactamente al mismo ritmo que se produce. Si el agua se evapora demasiado rápido, la membrana se seca, la resistencia aumenta y, finalmente, se agrieta, creando un cortocircuito gaseoso donde el hidrógeno y el oxígeno se combinan directamente, generando calor que daña la pila de combustible. Si el agua se evapora demasiado lentamente, los electrodos se inundan, impidiendo que los reactivos lleguen al catalizador y deteniendo la reacción. Se están desarrollando métodos para gestionar el agua en las pilas, como las bombas electroosmóticas, centrándose en el control del flujo. Al igual que en un motor de combustión, es necesaria una proporción constante entre el reactivo y el oxígeno para que la pila de combustible funcione de manera eficiente.
Gestión de la temperatura: Es necesario mantener la misma temperatura en toda la celda para evitar su destrucción por sobrecarga térmica . Esto resulta especialmente complicado, ya que la reacción 2H₂ ₊ O₂ _→ 2H₂O _es altamente exotérmica, lo que genera una gran cantidad de calor dentro de la celda de combustible.
Durabilidad, vida útil y requisitos especiales para algunos tipos de células: Las aplicaciones de pilas de combustible estacionarias suelen requerir más de 40 000 horas de funcionamiento fiable a una temperatura de −35 a 40 °C (−31 a 104 °F) , mientras que las pilas de combustible para automóviles requieren una vida útil de 5 000 horas (el equivalente a 240 000 km o 150 000 millas ) en temperaturas extremas. La vida útil actual es de 2 500 horas (aproximadamente 120 000 km o 75 000 millas ). ^[³⁶^] Los motores de automóviles también deben poder arrancar de forma fiable a −30 °C (−22 °F) y tener una alta relación potencia-volumen (normalmente 2,5 kW/L).
Tolerancia limitada al monóxido de carbono de algunos cátodos (no PEDOT). ^{[ 28 ]}

pila de combustible de ácido fosfórico

Las celdas de combustible de ácido fosfórico (PAFC) fueron diseñadas e introducidas por primera vez en 1961 por GV Elmore y HA Tanner . En estas celdas, el ácido fosfórico se utiliza como electrolito no conductor para transferir protones del ánodo al cátodo y forzar a los electrones a viajar del ánodo al cátodo a través de un circuito eléctrico externo. Estas celdas suelen funcionar a temperaturas de 150 a 200 °C. Esta alta temperatura provocará pérdidas de calor y energía si el calor no se elimina y se utiliza adecuadamente. Este calor puede utilizarse para producir vapor para sistemas de aire acondicionado o cualquier otro sistema que consuma energía térmica. ^{[ 37 ]} El uso de este calor en cogeneración puede aumentar la eficiencia de las celdas de combustible de ácido fosfórico del 40-50% a aproximadamente el 80%. ^{[ 37 ]} Dado que la tasa de producción de protones en el ánodo es baja, se utiliza platino como catalizador para aumentar esta tasa de ionización. Una desventaja clave de estas celdas es el uso de un electrolito ácido. Esto aumenta la corrosión u oxidación de los componentes expuestos al ácido fosfórico. ^{[ 38 ]}

pila de combustible de ácido sólido

Las pilas de combustible de ácido sólido (SAFC) se caracterizan por el uso de un material ácido sólido como electrolito. A bajas temperaturas, los ácidos sólidos tienen una estructura molecular ordenada, como la mayoría de las sales. A temperaturas más elevadas (entre 140 y 150 °C para el CsHSO₄ ) _, algunos ácidos sólidos experimentan una transición de fase para convertirse en estructuras "superprotónicas" altamente desordenadas, lo que aumenta la conductividad en varios órdenes de magnitud. Los sistemas SAFC utilizan dihidrogenofosfato de cesio (CsH₂PO₄ ₎_y han demostrado una vida útil de miles de horas. ^{[ 39 ]}

pila de combustible alcalina

La pila de combustible alcalina (AFC) o pila de combustible de hidrógeno-oxígeno fue diseñada y demostrada públicamente por primera vez por Francis Thomas Bacon en 1959. Se utilizó como fuente primaria de energía eléctrica en el programa espacial Apolo. ^{[ 40 ]} La celda consta de dos electrodos de carbono poroso impregnados con un catalizador adecuado como Pt, Ag, CoO, etc. El espacio entre los dos electrodos se llena con una solución concentrada de KOH o NaOH que actúa como electrolito. Se burbujean gases de H₂ _y O₂ _en el electrolito a través de los electrodos de carbono poroso. De esta manera, la reacción global implica la combinación de gases de hidrógeno y oxígeno para formar agua. La celda funciona continuamente hasta que se agota el suministro de reactivos. Este tipo de celda funciona eficientemente en el rango de temperatura de 343–413 K (70 -140 °C) y proporciona un potencial de aproximadamente 0,9 V. ^{[ 41 ]} La celda de combustible de membrana de intercambio aniónico alcalina (AAEMFC) es un tipo de AFC que emplea un electrolito de polímero sólido en lugar de hidróxido de potasio acuoso (KOH) y es superior a la AFC acuosa.

Pilas de combustible de alta temperatura

pila de combustible de óxido sólido

Las pilas de combustible de óxido sólido (SOFC) utilizan un material sólido, generalmente un material cerámico llamado zirconia estabilizada con itria (YSZ), como electrolito . Debido a que las SOFC están hechas completamente de materiales sólidos, no se limitan a la configuración plana de otros tipos de pilas de combustible y a menudo se diseñan como tubos enrollados. Requieren altas temperaturas de funcionamiento (800–1000 °C) y pueden funcionar con diversos combustibles, incluido el gas natural. ^{[ 6 ]}

Las SOFC son únicas porque los iones de oxígeno con carga negativa viajan del cátodo (lado positivo de la celda de combustible) al ánodo (lado negativo de la celda de combustible) en lugar de que los protones viajen en sentido contrario (es decir, del ánodo al cátodo), como ocurre en todos los demás tipos de celdas de combustible. El oxígeno gaseoso se introduce a través del cátodo, donde absorbe electrones para crear iones de oxígeno. Estos iones viajan a través del electrolito para reaccionar con el hidrógeno gaseoso en el ánodo. La reacción en el ánodo produce electricidad y agua como subproductos. El dióxido de carbono también puede ser un subproducto dependiendo del combustible, pero las emisiones de carbono de un sistema SOFC son menores que las de una planta de combustión de combustibles fósiles . ^{[ 42 ]} Las reacciones químicas para el sistema SOFC se pueden expresar de la siguiente manera: ^{[ 43 ]}

Reacción anódica : _2H₂ + ^2O₂⁻ → _2H₂O + ^4e⁻

Reacción del cátodo : O ₂ + 4e ⁻ → 2O ²⁻

Reacción celular global : _2H₂ + _O₂ → _2H₂O

Los sistemas SOFC pueden funcionar con combustibles distintos del hidrógeno gaseoso puro. Sin embargo, dado que el hidrógeno es necesario para las reacciones mencionadas anteriormente, el combustible seleccionado debe contener átomos de hidrógeno. Para que la celda de combustible funcione, el combustible debe convertirse en hidrógeno gaseoso puro. Las SOFC son capaces de reformar internamente hidrocarburos ligeros como el metano (gas natural), ^{[ 44 ]} el propano y el butano. ^{[ 45 ]} Estas celdas de combustible se encuentran en una etapa temprana de desarrollo. ^{[ 46 ]}

Existen desafíos en los sistemas SOFC debido a sus altas temperaturas de operación. Uno de estos desafíos es la posible acumulación de polvo de carbono en el ánodo, lo que ralentiza el proceso de reformado interno. La investigación para abordar este problema de "coquización de carbono" en la Universidad de Pensilvania ha demostrado que el uso de cermet a base de cobre (materiales resistentes al calor hechos de cerámica y metal) puede reducir la coquización y la pérdida de rendimiento. ^{[ 47 ]} Otra desventaja de los sistemas SOFC es el largo tiempo de arranque, lo que los hace menos útiles para aplicaciones móviles. A pesar de estas desventajas, una alta temperatura de operación proporciona una ventaja al eliminar la necesidad de un catalizador de metal precioso como el platino, reduciendo así el costo. Además, el calor residual de los sistemas SOFC puede capturarse y reutilizarse, aumentando la eficiencia general teórica hasta un 80-85%. ^{[ 6 ]}

La alta temperatura de funcionamiento se debe principalmente a las propiedades físicas del electrolito YSZ. A medida que disminuye la temperatura, también lo hace la conductividad iónica del YSZ. Por lo tanto, para obtener el rendimiento óptimo de la pila de combustible, se requiere una alta temperatura de funcionamiento. Según su sitio web, Ceres Power , un fabricante británico de pilas de combustible SOFC, ha desarrollado un método para reducir la temperatura de funcionamiento de su sistema SOFC a 500-600 grados Celsius. Reemplazaron el electrolito YSZ comúnmente utilizado por un electrolito CGO (óxido de cerio y gadolinio). La menor temperatura de funcionamiento les permite utilizar acero inoxidable en lugar de cerámica como sustrato de la celda, lo que reduce el costo y el tiempo de puesta en marcha del sistema. ^{[ 48 ]}

pila de combustible de carbonato fundido

Las celdas de combustible de carbonato fundido (MCFC) requieren una temperatura de funcionamiento elevada, de 650 °C (1200 °F) , similar a la de las SOFC . Las MCFC utilizan carbonato de litio y potasio como electrolito, y esta sal se licúa a altas temperaturas, lo que permite el movimiento de carga dentro de la celda; en este caso, iones carbonato negativos. ^[⁴⁹^]

Al igual que las SOFC, las MCFC son capaces de convertir combustible fósil en un gas rico en hidrógeno en el ánodo, eliminando la necesidad de producir hidrógeno externamente. El proceso de reformado crea emisiones de CO₂. Los combustibles compatibles con las MCFC incluyen gas natural, _biogásy gas producido a partir de carbón. El hidrógeno en el gas reacciona con iones carbonato del electrolito para producir agua, dióxido de carbono, electrones y pequeñas cantidades de otros productos químicos. Los electrones viajan a través de un circuito externo, creando electricidad, y regresan al cátodo. Allí, el oxígeno del aire y el dióxido de carbono reciclado del ánodo reaccionan con los electrones para formar iones carbonato que reponen el electrolito, completando el circuito. ^[⁴⁹^] Las reacciones químicas para un sistema MCFC se pueden expresar de la siguiente manera: ^[⁵⁰^]

Reacción anódica : CO ₃²⁻ + H ₂ → H ₂ O + CO ₂ + 2e ⁻

Reacción _catódica : _CO₂ + ^½O₂ + _2e⁻^→ CO₃²⁻

Reacción global de la celda : _H₂ + _½O₂ → _H₂O

Al igual que las SOFC, las MCFC presentan desventajas como tiempos de arranque lentos debido a su alta temperatura de funcionamiento. Esto hace que los sistemas MCFC no sean adecuados para aplicaciones móviles, y es probable que esta tecnología se utilice principalmente para pilas de combustible estacionarias. El principal desafío de la tecnología MCFC es la corta vida útil de las celdas. La alta temperatura y el electrolito de carbonato provocan la corrosión del ánodo y el cátodo. Estos factores aceleran la degradación de los componentes de las MCFC, disminuyendo la durabilidad y la vida útil de la celda. Los investigadores están abordando este problema mediante la exploración de materiales resistentes a la corrosión para los componentes, así como diseños de pilas de combustible que puedan aumentar la vida útil de la celda sin disminuir el rendimiento. ^{[ 6 ]}

Las MCFC presentan varias ventajas sobre otras tecnologías de pilas de combustible, incluida su resistencia a las impurezas. No son propensas a la "coquización de carbono", que se refiere a la acumulación de carbono en el ánodo que reduce el rendimiento al ralentizar el proceso interno de reformado del combustible . Por lo tanto, los combustibles ricos en carbono, como los gases derivados del carbón, son compatibles con el sistema. El Departamento de Energía de Estados Unidos afirma que el carbón, en sí mismo, podría incluso ser una opción de combustible en el futuro, siempre que el sistema pueda hacerse resistente a impurezas como el azufre y las partículas que resultan de la conversión del carbón en hidrógeno. ^{[ 6 ]} Las MCFC también tienen eficiencias relativamente altas. Pueden alcanzar una eficiencia de combustible a electricidad del 50 %, considerablemente superior a la eficiencia del 37-42 % de una planta de pila de combustible de ácido fosfórico. Las eficiencias pueden llegar al 65 % cuando la pila de combustible se combina con una turbina, y al 85 % si se captura y utiliza calor en un sistema de cogeneración (CHP). ^{[ 49 ]}

FuelCell Energy , fabricante de pilas de combustible con sede en Connecticut, desarrolla y comercializa pilas de combustible MCFC. La empresa afirma que sus productos MCFC abarcan sistemas de 300 kW a 2,8 MW que alcanzan una eficiencia eléctrica del 47 % y pueden utilizar tecnología de cogeneración para obtener eficiencias generales más elevadas. Uno de sus productos, el DFC-ERG, se combina con una turbina de gas y, según la empresa, alcanza una eficiencia eléctrica del 65 %. ^{[ 51 ]}

pila de combustible de almacenamiento eléctrico

La pila de combustible de almacenamiento eléctrico es una batería convencional que se carga mediante energía eléctrica, utilizando el efecto electroquímico convencional. Sin embargo, la batería también incluye entradas de hidrógeno (y oxígeno) para una carga química alternativa. ^{[ 52 ]}

pila de biocombustible

Una celda de biocombustible convierte la energía química de sustancias biológicas en energía eléctrica mediante catalizadores biológicos, como enzimas o microorganismos. El proceso implica la oxidación de un combustible, como la glucosa, en el ánodo, liberando electrones y protones. Los electrones viajan a través de un circuito externo para generar corriente eléctrica, mientras que en el cátodo, el oxígeno se reduce típicamente a agua o peróxido de hidrógeno, completando el circuito. ^{[ 53 ]} Entre sus aplicaciones se incluyen el tratamiento de aguas residuales y la producción de energía renovable. ^{[ 54 ]} Se pueden utilizar polímeros conductores para mejorar la transferencia de electrones entre enzimas y electrodos. ^{[ 55 ]}

La integración de nanomateriales, como nanotubos de carbono y nanopartículas metálicas, se utiliza para mejorar el rendimiento de las BFC. Estos materiales aumentan el área superficial de los electrodos y facilitan una mejor transferencia de electrones, lo que resulta en mayores densidades de potencia. Se han utilizado estructuras porosas tridimensionales y materiales a base de grafeno para mejorar la conductividad y la estabilidad, y se están desarrollando celdas de biocombustible híbridas que combinan BFC con supercondensadores o baterías secundarias para proporcionar una salida de energía estable y continua. ^{[ 56 ]} Se están explorando las BFC como fuentes de energía para dispositivos implantables como marcapasos y biosensores, para eliminar potencialmente la necesidad de baterías tradicionales, y las EBFC de tipo fibra muestran potencial en aplicaciones implantables. ^{[ 57 ]} Sin embargo, la densidad de potencia de las BFC es generalmente menor que la de las fuentes de energía convencionales, la estabilidad de las enzimas y los microorganismos durante períodos prolongados es otra preocupación, y la escalabilidad y la viabilidad comercial también plantean obstáculos. ^{[ 58 ]}

Comparación de los tipos de pilas de combustible

Glosario de términos en la tabla:

Ánodo: El electrodo en el que tiene lugar la oxidación (pérdida de electrones). En las pilas de combustible y otras pilas galvánicas, el ánodo es el terminal negativo; en las pilas electrolíticas (donde se produce la electrólisis), el ánodo es el terminal positivo. ^{[ 62 ]}
Solución acuosa ^{[ 63 ]}: Relacionado con el agua o que se asemeja a ella.; Hecho de, con o por agua.
Catalizador: Sustancia química que aumenta la velocidad de una reacción sin consumirse; tras la reacción, puede recuperarse de la mezcla de reacción y permanece químicamente inalterada. El catalizador reduce la energía de activación necesaria, lo que permite que la reacción se produzca más rápidamente o a menor temperatura. En una pila de combustible, el catalizador facilita la reacción del oxígeno y el hidrógeno. Generalmente está compuesto de polvo de platino recubierto con una capa muy fina sobre papel o tela de carbono. El catalizador es rugoso y poroso, de modo que la máxima superficie del platino queda expuesta al hidrógeno o al oxígeno. La cara del catalizador recubierta de platino queda orientada hacia la membrana de la pila de combustible. ^{[ 62 ]}
Cátodo: El electrodo en el que se produce la reducción (ganancia de electrones). En las pilas de combustible y otras pilas galvánicas, el cátodo es el terminal positivo; en las pilas electrolíticas (donde se produce la electrólisis), el cátodo es el terminal negativo. ^{[ 62 ]}
Electrólito: Sustancia que conduce iones cargados de un electrodo a otro en una pila de combustible, batería o electrolizador. ^{[ 62 ]}
pila de combustible: Celdas de combustible individuales conectadas en serie. Las celdas de combustible se apilan para aumentar el voltaje. ^{[ 62 ]}
Matriz: algo dentro o a partir del cual otra cosa se origina, se desarrolla o toma forma. ^{[ 64 ]}
Membrana: La capa separadora en una celda de combustible que actúa como electrolito (un intercambiador de iones) y como película barrera que separa los gases en los compartimentos del ánodo y el cátodo de la celda de combustible. ^{[ 62 ]}
Celda de combustible de carbonato fundido (MCFC): Un tipo de pila de combustible que contiene un electrolito de carbonato fundido. Los iones carbonato (CO₃²⁻ ⁾_se transportan del cátodo al ánodo. Las temperaturas de funcionamiento suelen rondar los 650 °C. ^[⁶²^]
Celda de combustible de ácido fosfórico (PAFC): Un tipo de pila de combustible en la que el electrolito consiste en ácido fosfórico concentrado (H₃PO₄ ₎ . Los protones (H⁺) se transportan del ánodo al cátodo. El rango de temperatura de funcionamiento es generalmente de 160 a 220 _° C . ^{[ 62 ]}
Celda de combustible de membrana de intercambio de protones (PEM): Una celda de combustible que incorpora una membrana de polímero sólido utilizada como electrolito. Los protones (H+) se transportan del ánodo al cátodo. El rango de temperatura de funcionamiento es generalmente de 60 a 100 °C para las celdas de combustible de membrana de intercambio de protones de baja temperatura (LT-PEMFC). ^{[ 62 ]} Las celdas de combustible PEM con una temperatura de funcionamiento de 120 a 200 °C se denominan celdas de combustible de membrana de intercambio de protones de alta temperatura (HT-PEMFC). ^{[ 65 ]}
pila de combustible de óxido sólido (SOFC): Un tipo de pila de combustible en la que el electrolito es un óxido metálico sólido y no poroso, típicamente óxido de circonio (ZrO₂ ₎_tratado con Y₂O₃ _, y el ^O₂⁻ se transporta del cátodo al ánodo. Cualquier CO presente en el gas reformado se oxida a CO₂ _en el ánodo. Las temperaturas de operación suelen ser de 800 a 1000 ° C. ^[⁶²^]
Solución ^{[ 66 ]}: Acto o proceso mediante el cual una sustancia sólida, líquida o gaseosa se mezcla homogéneamente con un líquido o, a veces, con un gas o un sólido.; Una mezcla homogénea formada por este proceso; especialmente : un sistema líquido monofásico.; La condición de estar disuelto.

Eficiencia de los principales tipos de pilas de combustible

Eficiencia máxima teórica

La eficiencia energética de un sistema o dispositivo que convierte energía se mide por la relación entre la cantidad de energía útil producida por el sistema ("energía de salida") y la cantidad total de energía que se introduce ("energía de entrada"), o por la energía útil de salida como porcentaje de la energía total de entrada. En el caso de las pilas de combustible, la energía útil de salida se mide en energía eléctrica producida por el sistema. La energía de entrada es la energía almacenada en el combustible. Según el Departamento de Energía de EE. UU., las pilas de combustible suelen tener una eficiencia energética de entre el 40 y el 60 %. ^{[ 67 ]} Esto es superior a otros sistemas de generación de energía. Por ejemplo, el motor de combustión interna de un automóvil puede tener una eficiencia energética de alrededor del 43 %. ^{[ 68 ]}^{[ 69 ]} Las centrales termoeléctricas suelen alcanzar eficiencias del 30-40 % ^{[ 70 ]} mientras que las centrales de ciclo combinado de turbina de gas y vapor pueden alcanzar eficiencias superiores al 60 %. ^{[ 71 ]}^{[ 72 ]} En los sistemas de cogeneración (CHP), el calor residual producido por el ciclo de potencia primario, ya sea pila de combustible, fisión nuclear o combustión, se captura y se utiliza, aumentando la eficiencia del sistema hasta un 85-90%. ^{[ 6 ]}

La eficiencia máxima teórica de cualquier sistema de generación de energía nunca se alcanza en la práctica, y no considera otras etapas de la generación, como la producción, el transporte y el almacenamiento de combustible, ni la conversión de la electricidad en energía mecánica. Sin embargo, este cálculo permite comparar diferentes tipos de generación de energía. La eficiencia máxima teórica de una pila de combustible se aproxima al 100%, ^{[ 73 ]} mientras que la de los motores de combustión interna es de aproximadamente el 58%. ^{[ 74 ]}

En la práctica

Los valores se dan desde el 40% para combustibles ácidos, el 50% para carbonato fundido, hasta el 60% para combustibles alcalinos, de óxido sólido y de pilas de combustible PEM. ^{[ 75 ]}

Las pilas de combustible no pueden almacenar energía como una batería, ^{[ 76 ]} excepto como hidrógeno, pero en algunas aplicaciones, como las centrales eléctricas autónomas basadas en fuentes discontinuas como la energía solar o eólica , se combinan con electrolizadores y sistemas de almacenamiento para formar un sistema de almacenamiento de energía. A partir de 2019, el 90% del hidrógeno se utilizó para el refinado de petróleo, la producción de productos químicos y fertilizantes (donde el hidrógeno es necesario para el proceso Haber-Bosch ), ^{[ 77 ]} y a partir de 2024, más del 95% del hidrógeno todavía se producía utilizando el reformado de metano con vapor (alrededor del 95% es hidrógeno gris , la mayor parte del resto es hidrógeno azul y solo alrededor del 1% es hidrógeno verde ), un proceso que emite dióxido de carbono. ^{[ 78 ]} Además, la eficiencia global (electricidad a hidrógeno y de vuelta a electricidad) de dichas plantas (conocida como eficiencia de ciclo completo ), utilizando hidrógeno puro y oxígeno puro puede ser "de 35 a 50 por ciento", dependiendo de la densidad del gas y otras condiciones. ^{[ 79 ]} El sistema de electrolizador/celda de combustible puede almacenar cantidades indefinidas de hidrógeno y, por lo tanto, es adecuado para el almacenamiento a largo plazo.

Las pilas de combustible de óxido sólido generan calor mediante la recombinación de oxígeno e hidrógeno. La cerámica puede alcanzar temperaturas de hasta 800 °C (1470 °F) . Este calor se puede capturar y utilizar para calentar agua en una aplicación de microcogeneración (m-CHP). Al capturar el calor, la eficiencia total de la unidad puede llegar al 80-90 %, sin tener en cuenta las pérdidas de producción y distribución. Actualmente se están desarrollando unidades de cogeneración para el mercado europeo.

El profesor Jeremy P. Meyers, en la revista Interface de la Sociedad Electroquímica en 2008, escribió: «Si bien las pilas de combustible son eficientes en relación con los motores de combustión, no son tan eficientes como las baterías, principalmente debido a la ineficiencia de la reacción de reducción de oxígeno (y... la reacción de evolución de oxígeno, si el hidrógeno se forma por electrólisis del agua). ... [S]on más adecuadas para operar desconectadas de la red eléctrica o cuando se puede suministrar combustible de forma continua. Para aplicaciones que requieren arranques frecuentes y relativamente rápidos... donde las emisiones cero son un requisito, como en espacios cerrados como almacenes, y donde el hidrógeno se considera un reactivo aceptable, una [pila de combustible PEM] se está convirtiendo en una opción cada vez más atractiva [si el cambio de baterías es inconveniente]». ^[⁸⁰^] En 2013, las organizaciones militares estaban evaluando pilas de combustible para determinar si podían reducir significativamente el peso de las baterías que llevaban los soldados. ^[⁸¹^]

En vehículos

En un vehículo de pila de combustible, la eficiencia del depósito a la rueda es superior al 45 % a bajas cargas ^{[ 82 ]} y muestra valores promedio de alrededor del 36 % cuando se utiliza un ciclo de conducción como el NEDC ( Nuevo Ciclo de Conducción Europeo ) como procedimiento de prueba. ^{[ 83 ]} El valor NEDC comparable para un vehículo diésel es del 22 %. En 2008, Honda lanzó un vehículo eléctrico de pila de combustible de demostración (el Honda FCX Clarity ) con pila de combustible que afirmaba una eficiencia del depósito a la rueda del 60 %. ^{[ 84 ]}

También es importante tener en cuenta las pérdidas debidas a la producción, el transporte y el almacenamiento del combustible. Los vehículos de pila de combustible que funcionan con hidrógeno comprimido pueden tener una eficiencia de la planta de energía a la rueda del 22 % si el hidrógeno se almacena como gas a alta presión, y del 17 % si se almacena como hidrógeno líquido . ^{[ 85 ]}

Aplicaciones

Fuerza

Las pilas de combustible estacionarias se utilizan para la generación de energía primaria y de respaldo en aplicaciones comerciales, industriales y residenciales. Son muy útiles como fuentes de energía en lugares remotos, como naves espaciales, estaciones meteorológicas remotas, grandes parques, centros de comunicaciones, zonas rurales, incluyendo estaciones de investigación, y en ciertas aplicaciones militares. Un sistema de pila de combustible que funciona con hidrógeno puede ser compacto y ligero, y no tiene partes móviles importantes. Debido a que las pilas de combustible no tienen partes móviles ni implican combustión, en condiciones ideales pueden alcanzar una fiabilidad de hasta el 99,9999 %. ^{[ 86 ]} Esto equivale a menos de un minuto de inactividad en un período de seis años. ^{[ 86 ]}

Dado que los sistemas de electrolizadores de celdas de combustible no almacenan combustible en sí mismos, sino que dependen de unidades de almacenamiento externas, pueden aplicarse con éxito en el almacenamiento de energía a gran escala, siendo las zonas rurales un ejemplo. ^{[ 87 ]} Hay muchos tipos diferentes de celdas de combustible estacionarias, por lo que las eficiencias varían, pero la mayoría están entre el 40% y el 60% de eficiencia energética. ^{[ 6 ]} Sin embargo, cuando el calor residual de la celda de combustible se utiliza para calentar un edificio en un sistema de cogeneración, esta eficiencia puede aumentar al 85%. ^{[ 6 ]} Esto es significativamente más eficiente que las centrales eléctricas de carbón tradicionales, que son solo alrededor de un tercio de eficientes energéticamente. ^{[ 88 ]} Suponiendo la producción a escala, las celdas de combustible podrían ahorrar entre un 20% y un 40% en costos de energía cuando se utilizan en sistemas de cogeneración. ^{[ 89 ]} Las celdas de combustible también son mucho más limpias que la generación de energía tradicional; Una central eléctrica de pila de combustible que utiliza gas natural como fuente de hidrógeno generaría menos de una onza de contaminación (aparte del _CO₂) por cada 1000 kW·h producidos, en comparación con las 25 libras de contaminantes generados por los sistemas de combustión convencionales. ^[⁹⁰^] Las pilas de combustible también producen un 97 % menos de emisiones de óxido de nitrógeno que las centrales eléctricas convencionales de carbón.

Uno de estos programas piloto está en funcionamiento en la isla Stuart, en el estado de Washington. Allí, la Iniciativa de Energía de la Isla Stuart ^{[ 91 ]} ha construido un sistema completo de circuito cerrado: paneles solares alimentan un electrolizador que produce hidrógeno. El hidrógeno se almacena en un tanque de 1900 litros (500 galones estadounidenses ) a 1400 kPa (200 libras por pulgada cuadrada) y alimenta una pila de combustible ReliOn para proporcionar respaldo eléctrico completo a la residencia aislada de la red. Otro sistema de circuito cerrado se presentó a finales de 2011 en Hempstead, Nueva York. ^[⁹²^]

Las pilas de combustible pueden utilizarse con gas de baja calidad procedente de vertederos o plantas de tratamiento de aguas residuales para generar energía y reducir las emisiones de metano . Se dice que una planta de pilas de combustible de 2,8 MW en California es la más grande de su tipo. ^{[ 93 ]} Se están desarrollando pilas de combustible a pequeña escala (inferiores a 5 kWh) para su uso en instalaciones residenciales aisladas de la red eléctrica. ^{[ 94 ]}

Cogeneración

Los sistemas de cogeneración (CHP), incluidos los sistemas de microcogeneración (MicroCHP), se utilizan para generar electricidad y calor para hogares (véase celda de combustible doméstica ), edificios de oficinas y fábricas. El sistema genera energía eléctrica constante (vendiendo el exceso a la red cuando no se consume) y, al mismo tiempo, produce aire caliente y agua a partir del calor residual . Como resultado, los sistemas CHP tienen el potencial de ahorrar energía primaria, ya que pueden aprovechar el calor residual que generalmente se rechaza en los sistemas de conversión de energía térmica. ^{[ 95 ]} Un rango de capacidad típico de una celda de combustible doméstica es de 1 a 3 kW _el , de 4 a 8 kW _th . ^{[ 96 ]}^{[ 97 ]} Los sistemas CHP conectados a enfriadoras de absorción utilizan su calor residual para refrigeración . ^{[ 98 ]}

El calor residual de las pilas de combustible puede desviarse durante el verano directamente al subsuelo para proporcionar refrigeración adicional, mientras que el calor residual durante el invierno puede bombearse directamente al edificio. La Universidad de Minnesota posee los derechos de patente de este tipo de sistema. ^{[ 99 ]}^{[ 100 ]}

Los sistemas de cogeneración pueden alcanzar una eficiencia del 85% (40-60% eléctrica y el resto como térmica). ^{[ 6 ]} Las celdas de combustible de ácido fosfórico (PAFC) constituyen el segmento más grande de los productos CHP existentes en todo el mundo y pueden proporcionar eficiencias combinadas cercanas al 90%. ^{[ 101 ]}^{[ 102 ]} Las celdas de combustible de carbonato fundido (MCFC) y de óxido sólido (SOFC) también se utilizan para la generación combinada de calor y electricidad y tienen eficiencias de energía eléctrica de alrededor del 60%. ^{[ 103 ]} Las desventajas de los sistemas de cogeneración incluyen tasas de arranque y parada lentas, alto costo y corta vida útil. ^{[ 104 ]}^{[ 105 ]} Además, su necesidad de tener un tanque de almacenamiento de agua caliente para suavizar la producción de calor térmico fue una seria desventaja en el mercado doméstico donde el espacio en las propiedades domésticas es muy valioso. ^{[ 106 ]}

Los consultores de Delta-ee afirmaron en 2013 que, con el 64 % de las ventas mundiales, la microcogeneración de celdas de combustible superó a los sistemas convencionales en ventas en 2012. ^{[ 81 ]} El proyecto japonés ENE FARM afirmó que se instalaron 34.213 PEMFC y 2.224 SOFC en el período 2012-2014, 30.000 unidades con GNL y 6.000 con GLP . ^{[ 107 ]}

Vehículos eléctricos de pila de combustible (FCEV)

Configuración de los componentes de un coche de pila de combustible

automóviles

Se han presentado cuatro vehículos eléctricos de pila de combustible para arrendamiento y venta comercial: el Honda Clarity , el Toyota Mirai , el Hyundai ix35 FCEV y el Hyundai Nexo . A finales de 2019, se habían arrendado o vendido aproximadamente 18.000 FCEV en todo el mundo. ^{[ 108 ]}^{[ 109 ]} Los vehículos eléctricos de pila de combustible tienen un alcance promedio de 505 km (314 mi) entre recargas ^[¹¹⁰^] y se pueden recargar en unos 5 minutos. ^[¹¹¹^] El Programa de Tecnología de Pilas de Combustible del Departamento de Energía de EE. UU. afirma que, a partir de 2011, las pilas de combustible lograron una eficiencia del 53-59% a un cuarto de potencia y una eficiencia del vehículo del 42-53% a plena potencia, ^[¹¹²^] y una durabilidad de más de 120.000 km (75.000 millas) con menos del 10% de degradación. ^[¹¹³^] En un análisis de simulación Well-to-Wheels de 2017 que "no abordó las limitaciones económicas y de mercado", General Motors y sus socios estimaron que, para un viaje equivalente, un vehículo eléctrico de pila de combustible que funciona con hidrógeno gaseoso comprimido producido a partir de gas natural podría usar aproximadamente un 40 % menos de energía y emitir un 45 % menos de gases de efecto invernadero que un vehículo de combustión interna. ^[¹¹⁴^]

En 2015, Toyota presentó su primer vehículo de pila de combustible, el Mirai, a un precio de $57,000. ^{[ 115 ]} Hyundai presentó el Hyundai ix35 FCEV de producción limitada bajo un contrato de arrendamiento. ^{[ 116 ]} En 2016, Honda comenzó a arrendar el Honda Clarity Fuel Cell. ^{[ 117 ]} En 2018, Hyundai presentó el Hyundai Nexo , reemplazando al Hyundai ix35 FCEV . En 2020, Toyota presentó la segunda generación de su marca Mirai, mejorando la eficiencia de combustible y ampliando la autonomía en comparación con el modelo sedán original de 2014. ^{[ 118 ]}

En 2024, los propietarios de Mirai presentaron una demanda colectiva contra Toyota en California por la falta de disponibilidad de hidrógeno para vehículos eléctricos de pila de combustible, alegando, entre otras cosas, ocultación fraudulenta y tergiversación, así como violaciones de la ley de publicidad engañosa de California e incumplimientos de la garantía implícita. ^{[ 119 ]} Ese mismo año, Hyundai retiró del mercado los 1600 vehículos Nexo vendidos en EE. UU. hasta ese momento debido al riesgo de fugas de combustible e incendio por un "dispositivo de alivio de presión" defectuoso. ^{[ 120 ]}

Crítica

Algunos comentaristas creen que los coches de pila de combustible de hidrógeno nunca serán económicamente competitivos con otras tecnologías ^{[ 121 ]}^{[ 122 ]}^{[ 123 ]} o que tardarán décadas en ser rentables. ^{[ 80 ]}^{[ 124 ]} Elon Musk, CEO del fabricante de vehículos eléctricos de batería Tesla Motors , declaró en 2015 que las pilas de combustible para su uso en coches nunca serán comercialmente viables debido a la ineficiencia de producir, transportar y almacenar hidrógeno y la inflamabilidad del gas, entre otras razones. ^{[ 125 ]} En 2012, Lux Research, Inc. publicó un informe que afirmaba: «El sueño de una economía del hidrógeno... no está más cerca». Concluía que «el coste de capital... limitará la adopción a unos escasos 5,9 GW» para 2030, lo que supone «una barrera casi insuperable para la adopción, excepto en aplicaciones de nicho». El análisis concluyó que, para 2030, el mercado de baterías PEM estacionarias alcanzará los 1.000 millones de dólares, mientras que el mercado de vehículos, incluidas las carretillas elevadoras, alcanzará un total de 2.000 millones de dólares. ^{[ 124 ]} Otros análisis citan la falta de una infraestructura de hidrógeno extensa en EE. UU. como un desafío constante para la comercialización de vehículos eléctricos de pila de combustible. ^{[ 82 ]}

En 2014, Joseph Romm , autor de The Hype About Hydrogen (2005; 2025), afirmó que los FCV aún no habían superado el alto costo del combustible, la falta de infraestructura de suministro de combustible y la contaminación causada por la producción de hidrógeno. "Se necesitarían varios milagros para superar todos esos problemas simultáneamente en las próximas décadas". ^{[ 126 ]} Concluyó que la energía renovable no puede utilizarse económicamente para producir hidrógeno para una flota de FCV "ni ahora ni en el futuro". ^{[ 121 ]} El analista de Greentech Media llegó a conclusiones similares en 2014. ^{[ 127 ]} En 2015, CleanTechnica enumeró algunas de las desventajas de los vehículos de pila de combustible de hidrógeno. ^{[ 128 ]} También lo hizo Car Throttle . ^{[ 129 ]} Un video de 2019 de Real Engineering señaló que, a pesar de la introducción de vehículos que funcionan con hidrógeno, el uso de hidrógeno como combustible para automóviles no ayuda a reducir las emisiones de carbono del transporte. El 95 % del hidrógeno que aún se produce a partir de combustibles fósiles libera dióxido de carbono, y la producción de hidrógeno a partir de agua es un proceso que consume mucha energía. Almacenar hidrógeno requiere más energía, ya sea para enfriarlo hasta el estado líquido o para introducirlo en tanques a alta presión, y distribuirlo a las estaciones de servicio requiere más energía y puede liberar más carbono. El hidrógeno necesario para mover un vehículo de pila de combustible (FCV) un kilómetro cuesta aproximadamente 8 veces más que la electricidad necesaria para mover un vehículo eléctrico de batería (BEV) la misma distancia. ^{[ 130 ]}

Una evaluación de 2020 concluyó que los vehículos de hidrógeno todavía tienen una eficiencia de solo el 38%, mientras que los vehículos eléctricos de batería tienen una eficiencia del 80%. ^{[ 131 ]} En 2021 CleanTechnica concluyó que (a) los coches de hidrógeno siguen siendo mucho menos eficientes que los coches eléctricos; (b) el hidrógeno gris (el hidrógeno producido con procesos contaminantes) constituye la gran mayoría del hidrógeno disponible; (c) el suministro de hidrógeno requeriría la construcción de una infraestructura nueva, vasta y costosa de suministro y repostaje; y (d) las dos ventajas restantes de los vehículos de pila de combustible (mayor autonomía y tiempos de repostaje rápidos) se están erosionando rápidamente debido a la mejora de la tecnología de baterías y carga. ^{[ 132 ]} Un estudio de 2022 en Nature Electronics coincidió. ^{[ 133 ]} Un estudio de 2023 del Centro para la Investigación Internacional sobre el Clima y el Medio Ambiente (CICERO) estimó que el hidrógeno filtrado tiene un efecto de calentamiento global 11,6 veces más fuerte que el _CO₂ . ^{[ 134 ]}

autobuses

A fecha de agosto de 2011 Había alrededor de 100 autobuses de pila de combustible en servicio en todo el mundo. ^{[ 135 ]} La mayoría de estos fueron fabricados por UTC Power , Toyota, Ballard, Hydrogenics y Proton Motor. Los autobuses de UTC habían recorrido más de 970 000 km (600 000 millas) para 2011. ^[¹³⁶^] Los autobuses de pila de combustible tienen entre un 39 % y un 141 % más de eficiencia de combustible que los autobuses diésel y los autobuses de gas natural. ^[¹¹⁴^]^[¹³⁷^]

A partir de 2019, el NREL estaba evaluando varios proyectos de autobuses de celdas de combustible actuales y planificados en los EE. UU. ^{[ 138 ]}

trenes

Los operadores ferroviarios pueden utilizar pilas de combustible de hidrógeno en los trenes para ahorrar los costes de instalación de la electrificación aérea y mantener la autonomía que ofrecen los trenes diésel. Sin embargo, han incurrido en gastos debido a que las pilas de combustible en los trenes solo duran tres años, al mantenimiento del depósito de hidrógeno y a la necesidad adicional de baterías como reserva de energía. ^{[ 139 ]}^{[ 140 ]} En 2018, los primeros trenes propulsados por pilas de combustible, las unidades múltiples Alstom Coradia iLint , comenzaron a circular en la línea Buxtehude–Bremervörde–Bremerhaven–Cuxhaven en Alemania. ^{[ 141 ]} También se han introducido trenes de hidrógeno en Suecia ^{[ 142 ]} y el Reino Unido. ^{[ 143 ]}

Camiones

En diciembre de 2020, Toyota y Hino Motors , junto con Seven-Eleven (Japón) , FamilyMart y Lawson, anunciaron que habían acordado considerar conjuntamente la introducción de camiones eléctricos de pila de combustible ligeros (FCET ligeros). ^{[ 144 ]} Lawson comenzó las pruebas de entrega a bajas temperaturas a finales de julio de 2021 en Tokio, utilizando un Hino Dutro en el que se implementa la pila de combustible Toyota Mirai . FamilyMart comenzó las pruebas en la ciudad de Okazaki . ^{[ 145 ]}

En agosto de 2021, Toyota anunció su plan para fabricar módulos de celdas de combustible en su planta de ensamblaje de automóviles de Kentucky para su uso en camiones de gran tonelaje y vehículos comerciales pesados de cero emisiones. Planean comenzar a ensamblar los dispositivos electroquímicos en 2023. ^{[ 146 ]}

En octubre de 2021, el camión de Daimler Trucks basado en pila de combustible recibió la aprobación de las autoridades alemanas para su uso en vías públicas. ^{[ 147 ]}

Carretillas elevadoras

Una carretilla elevadora de pila de combustible (también llamada montacargas de pila de combustible) es una carretilla elevadora industrial alimentada por pila de combustible que se utiliza para levantar y transportar materiales. En 2013, había más de 4000 carretillas elevadoras de pila de combustible utilizadas en la manipulación de materiales en EE. UU., ^{[ 148 ]} de las cuales 500 recibieron financiación del DOE (2012). ^{[ 149 ]}^{[ 150 ]} A partir de 2024, aproximadamente 50 000 carretillas elevadoras de hidrógeno están en funcionamiento en todo el mundo (la mayoría de ellas en EE. UU.), en comparación con 1,2 millones de carretillas elevadoras eléctricas de batería que se compraron en 2021. ^{[ 151 ]}

La mayoría de las empresas en Europa y EE. UU. no utilizan carretillas elevadoras de gasolina, ya que estos vehículos trabajan en interiores donde las emisiones deben controlarse, y en su lugar utilizan carretillas elevadoras eléctricas. ^{[ 152 ]}^{[ 153 ]} Las carretillas elevadoras de pila de combustible se pueden repostar en 3 minutos y se pueden utilizar en almacenes refrigerados, donde su rendimiento no se ve afectado por las bajas temperaturas. Las unidades de pila de combustible suelen diseñarse como reemplazos directos. ^{[ 154 ]}^{[ 155 ]}

Motocicletas y bicicletas

En 2005, el fabricante británico de pilas de combustible de hidrógeno Intelligent Energy (IE) produjo la primera motocicleta funcional impulsada por hidrógeno, denominada ENV (Emission Neutral Vehicle). La motocicleta tiene suficiente combustible para funcionar durante cuatro horas y recorrer 160 km (100 millas) en una zona urbana, a una velocidad máxima de 80 km/h (50 mph) . ^[¹⁵⁶^] En 2004, Honda desarrolló una motocicleta con pila de combustible que utilizaba la pila de combustible Honda FC Stack. ^[¹⁵⁷^]^[¹⁵⁸^]

Otros ejemplos de motocicletas ^{[ 159 ]} y bicicletas ^{[ 160 ]} que utilizan pilas de combustible de hidrógeno incluyen el scooter de la empresa taiwanesa APFCT ^{[ 161 ]} que utiliza el sistema de repostaje de la italiana Acta SpA ^{[ 162 ]} y el scooter Suzuki Burgman con una pila de combustible IE que recibió la homologación de tipo de vehículo completo de la UE en 2011. ^{[ 163 ]} Suzuki Motor Corp. e IE han anunciado una empresa conjunta para acelerar la comercialización de vehículos de cero emisiones. ^{[ 164 ]}

aviones

En 2003, se realizó el primer vuelo del avión del mundo propulsado por hélice y alimentado completamente por una pila de combustible. La pila de combustible tenía un diseño apilado que permitía su integración con las superficies aerodinámicas del avión. ^{[ 165 ]} Entre los vehículos aéreos no tripulados (VANT) propulsados por pilas de combustible se incluye un VANT Horizon que estableció el récord de distancia de vuelo para un VANT pequeño en 2007. ^{[ 166 ]} Investigadores de Boeing y socios de la industria en toda Europa llevaron a cabo pruebas de vuelo experimentales en febrero de 2008 de un avión tripulado propulsado únicamente por una pila de combustible y baterías ligeras. El avión demostrador de pila de combustible, como se le denominó, utilizaba un sistema híbrido de pila de combustible de membrana de intercambio de protones (PEM) y batería de iones de litio para alimentar un motor eléctrico, que estaba acoplado a una hélice convencional. ^{[ 167 ]}

En 2009, el Ion Tiger del Laboratorio de Investigación Naval (NRL) utilizó una celda de combustible alimentada con hidrógeno y voló durante 23 horas y 17 minutos. ^{[ 168 ]} Las celdas de combustible también se están probando y considerando para proporcionar energía auxiliar en aeronaves, reemplazando los generadores de combustible fósil que se usaban anteriormente para arrancar los motores y alimentar las necesidades eléctricas a bordo, al tiempo que reducen las emisiones de carbono. ^{[ 169 ]}^{[ 170 ]} En 2016, un dron Raptor E1 realizó un vuelo de prueba exitoso utilizando una celda de combustible que era más ligera que la batería de iones de litio que reemplazó. El vuelo duró 10 minutos a una altitud de 80 metros (260 pies) , aunque, según se informó, la celda de combustible tenía suficiente combustible para volar durante dos horas. El combustible estaba contenido en aproximadamente 100 gránulos sólidos de 1 centímetro cuadrado (0,16 pulgadas cuadradas) compuestos de un químico patentado dentro de un cartucho sin presión. Los gránulos son físicamente robustos y funcionan a temperaturas tan altas como 50 °C (122 °F) . La celda era de Arcola Energy. ^[¹⁷¹^]

El Lockheed Martin Skunk Works Stalker es un UAV eléctrico alimentado por una pila de combustible de óxido sólido. ^{[ 172 ]}

barcos

El Hydra , un barco de pila de combustible de 22 personas que operó de 1999 a 2001 en el río Rin cerca de Bonn , Alemania, ^{[ 173 ]} y se utilizó como barco de ferry en Gante , Bélgica, durante una conferencia de barcos eléctricos en 2000. Fue certificado completamente por Germanischer Lloyd para el transporte de pasajeros. ^{[ 174 ]} El Zemship, un pequeño barco de pasajeros, se produjo de 2003 a 2013. Utilizaba una pila de combustible de membrana de electrolito polimérico (PEMFC) de 100 kW con 7 baterías de gel de plomo. Con estos sistemas, junto con 12 tanques de almacenamiento, las pilas de combustible proporcionaban una capacidad de energía de 560 V y 234 kWh. ^[¹⁷⁵^] Fabricado en Hamburgo , Alemania, el FCS Alsterwasser, presentado en 2008, fue uno de los primeros barcos de pasajeros propulsados por pilas de combustible y podía transportar 100 pasajeros. La tecnología de pila de combustible híbrida que impulsaba este barco fue producida por Proton Motor Fuel Cell GmbH. ^[¹⁷⁶^]

En 2010, se produjo por primera vez el MF Vågen, que utiliza pilas de combustible de 12 kW y almacenamiento de hidrógeno de hidruro metálico de 2 a 3 kilogramos. También utiliza baterías de litio de 25 kWh y un motor de CC de 10 kW. ^{[ 175 ]} El Hornblower Hybrid debutó en 2012. Utiliza un generador diésel , baterías, energía fotovoltaica , energía eólica y pilas de combustible para obtener energía. ^{[ 175 ]} Fabricado en Bristol , el ferry híbrido Hydrogenesis, con capacidad para 12 pasajeros, ha estado en funcionamiento desde 2012. ^{[ 175 ]} El SF-BREEZE es un barco de dos motores que utiliza 41 pilas de combustible de 120 kW. Con un tanque de almacenamiento tipo C, el buque presurizado puede mantener 1200 kg de LH2. Estos barcos siguen en funcionamiento hoy en día. ^{[ 175 ]} En Noruega, el primer ferry propulsado por pilas de combustible que funcionan con hidrógeno líquido tenía previsto realizar sus primeras pruebas en diciembre de 2022. ^{[ 177 ]}^{[ 178 ]}

Los submarinos Tipo 212 de las armadas alemana e italiana utilizan pilas de combustible para permanecer sumergidos durante semanas sin necesidad de salir a la superficie. ^{[ 179 ]} El U212A es un submarino no nuclear desarrollado por el astillero naval alemán Howaldtswerke Deutsche Werft. ^{[ 180 ]} El sistema consta de nueve pilas de combustible PEM, que proporcionan entre 30 kW y 50 kW cada una. El submarino es silencioso, lo que le confiere una ventaja en la detección de otros submarinos. ^{[ 181 ]}

Sistemas de energía portátiles

Los sistemas portátiles de pilas de combustible se clasifican generalmente como aquellos que pesan menos de 10 kg y proporcionan una potencia inferior a 5 kW. ^{[ 182 ]} El tamaño potencial del mercado para pilas de combustible más pequeñas se estimó en 2002 en alrededor de 10 mil millones de dólares. ^{[ 183 ]} Dentro de este mercado se han identificado dos grupos. El primero es el mercado de micropilas de combustible, en el rango de 1 a 50 W para alimentar dispositivos electrónicos más pequeños. El segundo es el rango de 1 a 5 kW de generadores para la generación de energía a mayor escala (por ejemplo, puestos militares avanzados, campos petrolíferos remotos). Las micropilas de combustible están dirigidas principalmente a penetrar el mercado de teléfonos y computadoras portátiles. ^{[ 183 ]}

Los sistemas de energía portátiles que utilizan pilas de combustible pueden emplearse en el sector del ocio (por ejemplo, autocaravanas, cabañas, embarcaciones), la industria (por ejemplo, suministro de energía para ubicaciones remotas, como pozos de gas/petróleo, torres de comunicación, seguridad y estaciones meteorológicas) y el ámbito militar. SFC Energy es un fabricante alemán de pilas de combustible de metanol directo para diversos sistemas de energía portátiles. ^{[ 184 ]} Ensol Systems Inc. es un integrador de sistemas de energía portátiles que utiliza la pila de combustible de metanol directo (DMFC) de SFC Energy. ^{[ 185 ]} La principal ventaja de las pilas de combustible en este mercado es su gran generación de energía por peso. Si bien las pilas de combustible pueden ser costosas, para ubicaciones remotas que requieren energía confiable, ofrecen una gran potencia. ^{[ 182 ]}

Otras aplicaciones

Suministro de energía para estaciones base o emplazamientos celulares ^{[ 186 ]}^{[ 187 ]}
Los sistemas de energía de emergencia son un tipo de sistema de celda de combustible, que puede incluir iluminación, generadores y otros aparatos, para proporcionar recursos de respaldo en una crisis o cuando fallan los sistemas regulares. Se utilizan en una amplia variedad de entornos, desde hogares residenciales hasta hospitales, laboratorios científicos, centros de datos , ^{[ 188 ]}
Equipos de telecomunicaciones ^{[ 189 ]} y buques de guerra modernos.
Un sistema de alimentación ininterrumpida ( UPS ) proporciona energía de emergencia y, según su configuración, también regula la tensión de línea para los equipos conectados, suministrando energía desde una fuente independiente cuando no hay suministro eléctrico disponible. A diferencia de un generador de reserva, ofrece protección instantánea ante una interrupción momentánea del suministro eléctrico.
Smartphones , ordenadores portátiles y tabletas para usar en lugares donde la carga mediante corriente alterna no esté fácilmente disponible.
Bases de carga portátiles para pequeños dispositivos electrónicos (por ejemplo, un clip para cinturón que carga un teléfono móvil o una PDA ).
Pequeños aparatos de calefacción ^{[ 190 ]}
Conservación de alimentos , lograda mediante la eliminación del oxígeno y el mantenimiento automático de la eliminación del oxígeno en un contenedor de transporte, que contiene, por ejemplo, pescado fresco. ^{[ 191 ]}
Sensores, incluidos los de los alcoholímetros , donde se utiliza la cantidad de voltaje generado por una celda de combustible para determinar la concentración de combustible (alcohol) en la muestra. ^{[ 192 ]}

Estaciones de servicio

Según FuelCellsWorks, un grupo industrial, a finales de 2019, había 330 estaciones de repostaje de hidrógeno abiertas al público en todo el mundo. ^{[ 193 ]} En junio de 2020, había 178 estaciones de hidrógeno disponibles públicamente en funcionamiento en Asia. ^{[ 194 ]} 114 de ellas estaban en Japón. ^{[ 194 ]} Había al menos 177 estaciones en Europa, y aproximadamente la mitad de ellas estaban en Alemania. ^{[ 195 ]}^{[ 196 ]} Había 44 estaciones accesibles al público en EE. UU., 42 de las cuales estaban ubicadas en California. ^{[ 197 ]}

Construir una estación de repostaje de hidrógeno cuesta entre 1 millón y 4 millones de dólares. ^{[ 198 ]}

Implicaciones sociales

A partir de 2023, persisten las barreras tecnológicas para la adopción de celdas de combustible. ^{[ 199 ]} Las celdas de combustible se utilizan principalmente para el manejo de materiales en almacenes, centros de distribución e instalaciones de fabricación. ^{[ 200 ]} Se prevé que sean útiles como alternativa a los combustibles fósiles en diversas aplicaciones. ^{[ 201 ]}^{[ 202 ]} Sin embargo, las aplicaciones no han llegado con frecuencia a las comunidades de bajos ingresos, ^{[ 203 ]} aunque se han realizado algunos intentos de inclusión, por ejemplo, en materia de accesibilidad. ^{[ 204 ]}

Mercados y economía

En 2012, los ingresos de la industria de celdas de combustible superaron los 1.000 millones de dólares de valor de mercado a nivel mundial, y los países de Asia Pacífico enviaron más de las tres cuartas partes de los sistemas de celdas de combustible a nivel mundial. ^{[ 205 ]} Se enviaron 140.000 pilas de celdas de combustible a nivel mundial en 2010, frente a los 11.000 envíos de 2007, y de 2011 a 2012 los envíos mundiales de celdas de combustible tuvieron una tasa de crecimiento anual del 85%. ^{[ 206 ]} Tanaka Kikinzoku amplió sus instalaciones de fabricación en 2011. ^{[ 207 ]} Aproximadamente el 50% de los envíos de celdas de combustible en 2010 fueron celdas de combustible estacionarias, frente a cerca de un tercio en 2009, y los cuatro productores dominantes en la industria de celdas de combustible fueron Estados Unidos, Alemania, Japón y Corea del Sur. ^{[ 208 ]} La Alianza de Conversión de Energía de Estado Sólido del Departamento de Energía descubrió que, a partir de enero de 2011, las pilas de combustible estacionarias generaban energía a aproximadamente entre 724 y 775 dólares por kilovatio instalado. ^{[ 209 ]} En 2011, Bloom Energy, un importante proveedor de pilas de combustible, dijo que sus pilas de combustible generaban energía a entre 9 y 11 centavos por kilovatio-hora, incluyendo el precio del combustible, el mantenimiento y el hardware. ^{[ 210 ]}^{[ 211 ]}

En 2016, Samsung "decidió abandonar los proyectos comerciales relacionados con pilas de combustible, ya que las perspectivas del mercado no son buenas". ^{[ 212 ]}

Investigación y desarrollo

2013: La empresa británica ACAL Energy desarrolló una pila de combustible que, según afirmó, podía funcionar durante 10 000 horas en condiciones de conducción simuladas. ^{[ 213 ]} Aseguró que el coste de construcción de la pila de combustible se puede reducir a 40 $/kW (aproximadamente 9000 $ para 300 CV). ^{[ 214 ]}
2014: Investigadores del Imperial College de Londres desarrollaron un nuevo método para la regeneración de celdas de combustible de membrana de intercambio protónico ( PEFC) contaminadas con sulfuro de hidrógeno. ^{[ 215 ]} Lograron recuperar entre el 95 % y el 100 % del rendimiento original de una PEFC contaminada con sulfuro de hidrógeno. También tuvieron éxito en la regeneración de una PEFC contaminada con SO₂ _.^{[ 216 ]} Este método de regeneración es aplicable a pilas de celdas múltiples. ^{[ 217 ]}
2019: Investigadores del Laboratorio de Investigación del Ejército de los EE. UU. desarrollaron una pila de combustible de generación de hidrógeno in situ de dos partes, una para la generación de hidrógeno y la otra para la generación de energía eléctrica a través de una planta de energía interna de hidrógeno/aire. ^{[ 218 ]}
2022: Investigadores de la Universidad de Delaware desarrollaron una pila de combustible de hidrógeno que se prevé que funcione a un menor costo y opere a aproximadamente $1,4/kW. Este diseño elimina el dióxido de carbono del aire de alimentación de las pilas de combustible de membrana de intercambio de hidróxido . ^{[ 219 ]}
En 2024, investigadores de KAIST desarrollaron un método para crear una celda de combustible protónica mediante la laminación de suspensiones en un molde de cinta, seguido de la sinterización de la estructura laminada. Las tres suspensiones diferentes se crearon utilizando la mezcla acústica resonante (RAM) antes de la deposición. ^{[ 220 ]}

Véase también

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Enlaces externos

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