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Pila de combustible

Modelo de demostración de una celda de combustible de metanol directo (cubo de capas negras) en su carcasa
Esquema de una pila de combustible conductora de protones

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 a través de un par de reacciones redox . [2] Las pilas de combustible se diferencian de la mayoría de las baterías en que requieren una fuente continua de combustible y oxígeno (normalmente del aire) para mantener la reacción química, mientras que en una batería la energía química suele proceder 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. Como tal, a nivel práctico, mientras que las baterías químicas suelen servir principalmente como dispositivos de almacenamiento de energía, las pilas de combustible suelen servir como dispositivos de conversión de energía . La aplicación de una batería depende fundamentalmente de la disponibilidad de carga, mientras que las aplicaciones de las pilas de combustible han dependido fundamentalmente de la disponibilidad de su combustible y de la cadena de suministro asociada a él.

Las primeras pilas de combustible fueron inventadas por Sir William Grove en 1838. El primer uso comercial de las pilas de combustible llegó casi un siglo después, tras la invención de la pila de combustible de hidrógeno y oxígeno por Francis Thomas Bacon en 1932. La pila de combustible alcalina , también conocida como pila de combustible Bacon en honor a 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. Las pilas de combustible se utilizan como energía primaria y de reserva para edificios comerciales, industriales y residenciales y en áreas remotas o inaccesibles. También se utilizan para alimentar vehículos de pila de combustible , incluidos montacargas, automóviles, autobuses, [4] trenes, barcos, motocicletas y submarinos.

Existen muchos tipos de celdas de combustible, pero todas constan de un ánodo , un cátodo y un electrolito que permite que los iones, a menudo iones de hidrógeno con carga positiva (protones), se muevan entre los dos lados de la celda de combustible. En el ánodo, un catalizador hace que el combustible experimente reacciones de oxidación que generan iones (a menudo iones de hidrógeno con carga positiva) y electrones. Los iones se mueven del ánodo al cátodo a través del electrolito. Al mismo tiempo, los electrones fluyen del ánodo al cátodo a través de un circuito externo, produciendo electricidad de corriente continua . En el cátodo, otro catalizador hace que los iones, electrones y oxígeno reaccionen, formando agua y posiblemente otros productos. Las celdas de combustible se clasifican por el tipo de electrolito que utilizan y por la diferencia en el tiempo de arranque que va desde 1 segundo para celdas de combustible de membrana de intercambio de protones (celdas de combustible PEM o PEMFC) hasta 10 minutos para celdas 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, alrededor de 0,7 voltios, por lo que las celdas se "apilan", o se colocan en serie, para crear suficiente voltaje para satisfacer 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, usan hidrógeno como combustible y limitan la difusión de nitrógeno al 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

Número de familias de patentes (líneas continuas) y publicaciones no relacionadas con patentes sobre distintas fuentes de energía electroquímica por año. También se muestra como línea magenta el precio del petróleo ajustado por inflación en dólares estadounidenses por litro en escala lineal.
Boceto de la pila de combustible de Sir William Grove de 1839

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 de la primera pila de combustible rudimentaria que había inventado. Su carta hablaba de la corriente generada a partir de hidrógeno y oxígeno disueltos en agua. [9] Grove esbozó más tarde su diseño, en 1842, en la misma revista. La pila de combustible que fabricó utilizaba materiales similares a 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, un químico que trabajaba para General Electric Company (GE), modificó aún más el diseño original de la pila de combustible utilizando una membrana de intercambio iónico de poliestireno sulfonado como electrolito. Tres años más tarde, otro químico de GE, Leonard Niedrach, ideó una forma de depositar platino sobre la membrana, que sirvió como catalizador para las reacciones necesarias de oxidación del hidrógeno y reducción del oxígeno. Esto se conoció como la "pila de combustible de 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 dirigido por Harry Ihrig construyó un tractor de pila de combustible de 15 kW para Allis-Chalmers , que se demostró en todo Estados Unidos en ferias estatales. 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 licenció las patentes estadounidenses de Bacon para su uso en el programa espacial estadounidense para suministrar electricidad y agua potable (el hidrógeno y el oxígeno estaban fácilmente disponibles en los tanques de la nave espacial). En 1991, Roger E. Billings desarrolló el primer automóvil con pila de combustible de hidrógeno. [16] [17] [18]

UTC Power fue la primera empresa en fabricar y comercializar un sistema de pilas de combustible estacionarias de gran tamaño para su uso como planta de cogeneración en hospitales, universidades y grandes edificios de oficinas. [19]

En reconocimiento a la industria de las pilas de combustible y al papel de Estados Unidos en el desarrollo de las mismas, el Senado de los Estados Unidos reconoció el 8 de octubre de 2015 como el Día Nacional del Hidrógeno y las Pilas de Combustible , aprobando la S. RES 217. La fecha fue elegida en reconocimiento al peso atómico del hidrógeno (1,008). [20]

Tipos de pilas de combustible; diseño

Las pilas de combustible se presentan en muchas variedades; sin embargo, todas funcionan de la misma manera general. Están formadas por tres segmentos adyacentes: el ánodo , el electrolito y el cátodo . En las interfases de los tres segmentos diferentes se producen dos reacciones químicas. El resultado neto de las dos reacciones es que se consume combustible, se crea agua o dióxido de carbono y se crea una corriente eléctrica, que se puede utilizar para alimentar dispositivos eléctricos, normalmente denominados carga.

En el ánodo, un catalizador ioniza el combustible, convirtiéndolo 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 creando una corriente eléctrica. Los iones viajan a través del electrolito hasta el cátodo. Una vez que llegan al cátodo, los iones se reúnen con los electrones y ambos reaccionan con un tercer químico, generalmente oxígeno, para crear agua o dióxido de carbono.

Diagrama de bloques de una pila de combustible

Las características de diseño de una celda de combustible incluyen:

Una pila de combustible típica produce un voltaje de entre 0,6 y 0,7 V con una carga nominal completa. El voltaje disminuye a medida que aumenta la corriente debido a varios factores:

Para suministrar la cantidad de energía deseada, las celdas de combustible se pueden combinar en serie para producir un voltaje más alto y en paralelo para permitir que se suministre una corriente más alta . Este diseño se denomina pila de celdas de combustible . La superficie de la celda también se puede aumentar para permitir que cada celda cuente con una corriente más alta.

Pilas de combustible de membrana de intercambio de protones

Construcción de una PEMFC de alta temperatura : placa bipolar como electrodo con estructura de canal de gas fresado, fabricada a partir de compuestos conductores (mejorados con grafito , negro de carbono , fibra de carbono y/o nanotubos de carbono para mayor conductividad); [24] papeles de carbono porosos ; capa reactiva, generalmente sobre la membrana de polímero aplicada; membrana de polímero.
Condensación de agua producida por una celda PEMFC en la pared del canal de aire. El alambre de oro que rodea la celda asegura la recolección de corriente eléctrica. [25]
Micrografía SEM de una sección transversal de MEA de PEMFC con un cátodo catalizador de metal no precioso y un ánodo de Pt/C. [26] Se aplicaron colores falsos para mayor claridad.

En el diseño arquetípico de celda de combustible de membrana de intercambio de protones de óxido de hidrógeno (PEMFC), una membrana de polímero conductor de protones (normalmente nafion ) contiene la solución electrolítica que separa los lados del ánodo y el cátodo . [27] [28] Esto se llamó celda de combustible de electrolito de polímero sólido ( SPEFC ) a principios de la década de 1970, antes de que se comprendiera bien el mecanismo de intercambio de protones. (Observe que los sinónimos membrana de electrolito de polímero y mecanismo de intercambio de protones dan como resultado el mismo acrónimo ).

En el lado del ánodo, el hidrógeno se difunde al catalizador del ánodo, donde luego se disocia en protones y electrones. Estos protones a menudo reaccionan con oxidantes, lo que hace que se conviertan en lo que comúnmente se conoce como membranas de protones multifacéticas. Los protones se conducen a través de la membrana hasta el cátodo, pero los electrones se ven obligados a viajar en un circuito externo (que suministra energía) porque la membrana es aislante eléctricamente. En el catalizador del cátodo, las moléculas de oxígeno reaccionan con los electrones (que han viajado a través del circuito externo) y los protones para formar agua.

Además de este tipo de hidrógeno puro, existen combustibles de hidrocarburos para las pilas de combustible, entre ellos el diésel , el metanol ( véase: pilas de combustible de metanol directo y pilas de combustible de metanol indirecto ) y los hidruros químicos. Los productos de desecho de estos tipos de combustible son el dióxido de carbono y el agua. Cuando se utiliza hidrógeno, el CO2 se libera cuando el metano del gas natural se combina con vapor, en un proceso llamado reformado de metano con vapor , para producir el hidrógeno. Esto puede tener lugar en una ubicación diferente a la de la pila de combustible, lo que potencialmente permite utilizar la pila de combustible de hidrógeno en interiores, por ejemplo, en carretillas elevadoras.

Los diferentes componentes de una PEMFC son

  1. placas bipolares,
  2. electrodos ,
  3. catalizador ,
  4. membrana, y
  5. el hardware necesario, como colectores de corriente y juntas. [29]

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. [30] El conjunto de electrodos de membrana (MEA) se conoce como el corazón de la PEMFC y generalmente está hecho de una membrana de intercambio de protones intercalada entre dos papeles de carbono recubiertos con catalizador . El platino y/o tipos similares de metales nobles se utilizan generalmente como catalizador para PEMFC, y estos pueden estar contaminados por monóxido de carbono , lo que requiere un combustible de hidrógeno relativamente puro. [31] El electrolito podría ser una membrana de polímero .

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

Costo
En 2013, el Departamento de Energía estimó que se podrían lograr costos de sistemas de celdas de combustible para automóviles de 80 kW de US$67 por kilovatio, suponiendo una producción en volumen de 100.000 unidades automotrices por año y US$55 por kilovatio, suponiendo una producción en volumen de 500.000 unidades por año. [32] Muchas empresas están trabajando en técnicas para reducir los costos de diversas maneras, incluida 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 del rendimiento. [33] La Universidad Monash , Melbourne, utiliza PEDOT como cátodo . [34] Un estudio publicado en 2011 [35] documentó el primer electrocatalizador sin metal que utiliza nanotubos de carbono dopados relativamente económicos , que cuestan menos del 1% del platino y tienen un rendimiento igual o superior. Un artículo publicado recientemente demostró cómo cambian las cargas ambientales cuando se utilizan nanotubos de carbono como sustrato de carbono para el platino. [36]
Gestión del agua y del aire [37] [38] (en PEMFC)
En este tipo de celdas de combustible, la membrana debe hidratarse, 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 a través de ella aumenta y, finalmente, se agrietará, creando un "cortocircuito" de gas donde el hidrógeno y el oxígeno se combinan directamente, generando calor que dañará la celda de combustible. Si el agua se evapora demasiado lentamente, los electrodos se inundarán, impidiendo que los reactivos lleguen al catalizador y deteniendo la reacción. Se están desarrollando métodos para gestionar el agua en las celdas, como bombas electroosmóticas que se centran en el control del flujo. Al igual que en un motor de combustión, es necesaria una relación constante entre el reactivo y el oxígeno para mantener la celda de combustible funcionando de manera eficiente.
Gestión de la temperatura
Se debe mantener la misma temperatura en toda la celda para evitar su destrucción por carga térmica . Esto es particularmente complicado porque la reacción 2H 2 + O 2 → 2H 2 O es altamente exotérmica, por lo que se genera una gran cantidad de calor dentro de la celda de combustible.
Durabilidad, vida útil y requisitos especiales para algunos tipos de celdas.
Las aplicaciones de celdas de combustible estacionarias requieren típicamente más de 40.000 horas de funcionamiento confiable a una temperatura de −35 a 40 °C (−31 a 104 °F), mientras que las celdas de combustible para automóviles requieren una vida útil de 5.000 horas (el equivalente a 240.000 km o 150.000 mi) a temperaturas extremas. La vida útil actual es de 2.500 horas (aproximadamente 120.000 km o 75.000 mi). [39] Los motores de automóviles también deben poder arrancar de manera confiable a −30 °C (−22 °F) y tener una alta relación potencia-volumen (típicamente 2,5 kW/L).
Tolerancia limitada al monóxido de carbono de algunos cátodos (no PEDOT). [31]

Pila de combustible de ácido fosfórico

Las pilas de combustible de ácido fosfórico (PAFC) fueron diseñadas e introducidas por primera vez en 1961 por GV Elmore y HA Tanner. En estas pilas, el ácido fosfórico se utiliza como un electrolito no conductor para pasar protones del ánodo al cátodo y para obligar a los electrones a viajar del ánodo al cátodo a través de un circuito eléctrico externo. Estas pilas suelen funcionar a temperaturas de entre 150 y 200 °C. Esta alta temperatura provocará pérdida de calor y energía si el calor no se elimina y se utiliza correctamente. Este calor se puede utilizar para producir vapor para sistemas de aire acondicionado o cualquier otro sistema que consuma energía térmica. [40] El uso de este calor en la cogeneración puede mejorar la eficiencia de las pilas de combustible de ácido fosfórico del 40 al 50% a aproximadamente el 80%. [40] Dado que la tasa de producción de protones en el ánodo es pequeña, se utiliza platino como catalizador para aumentar esta tasa de ionización. Una desventaja clave de estas pilas es el uso de un electrolito ácido. Esto aumenta la corrosión u oxidación de los componentes expuestos al ácido fosfórico. [41]

Pila de combustible de ácido sólido

Las celdas 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 cálidas (entre 140 y 150  °C para CsHSO 4 ), 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. Las primeras SAFC de prueba de concepto se desarrollaron en 2000 utilizando sulfato de hidrógeno de cesio (CsHSO 4 ). [42] Los sistemas SAFC actuales utilizan fosfato de dihidrógeno de cesio (CsH 2 PO 4 ) y han demostrado una vida útil de miles de horas. [43]

Pila de combustible alcalina

La pila de combustible alcalina (CFA) o pila de combustible de hidrógeno y 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. [44] La pila consta de dos electrodos de carbono porosos 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 sirve como electrolito. El gas H2 y el gas O2 se burbujean en el electrolito a través de los electrodos de carbono porosos. Por lo tanto, la reacción general implica la combinación de gas hidrógeno y gas oxígeno para formar agua. La pila funciona continuamente hasta que se agota el suministro de reactivo. Este tipo de celda opera eficientemente en el rango de temperatura de 343–413  K (70-140 °C) y proporciona un potencial de aproximadamente 0,9  V. [45] La celda de combustible de membrana de intercambio aniónico alcalino (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 celdas de combustible de óxido sólido (SOFC) utilizan un material sólido, más comúnmente un material cerámico llamado zirconio estabilizado con itrio (YSZ), como electrolito . Debido a que las SOFC están hechas completamente de materiales sólidos, no están limitadas a la configuración plana de otros tipos de celdas de combustible y a menudo están diseñadas como tubos laminados. Requieren altas temperaturas de operación (800–1000 °C) y pueden funcionar con una variedad de combustibles, incluido el gas natural. [6]

Las SOFC son únicas porque los iones de oxígeno cargados negativamente viajan desde el cátodo (lado positivo de la celda de combustible) al ánodo (lado negativo de la celda de combustible) en lugar de que los protones viajen al revés (es decir, del ánodo al cátodo), como es el caso en todos los demás tipos de celdas de combustible. El gas oxígeno se alimenta a través del cátodo, donde absorbe electrones para crear iones de oxígeno. Los iones de oxígeno luego viajan a través del electrolito para reaccionar con el gas hidrógeno 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 . [46] Las reacciones químicas para el sistema SOFC se pueden expresar de la siguiente manera: [47]

Reacción del ánodo : 2H 2 + 2O 2− → 2H 2 O + 4e −
Reacción del cátodo : O 2 + 4e − → 2O 2−
Reacción celular general : 2H 2 + O 2 → 2H 2 O

Los sistemas SOFC pueden funcionar con combustibles distintos del gas hidrógeno 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 pila de combustible funcione, el combustible debe convertirse en gas hidrógeno puro. Las SOFC son capaces de reformar internamente hidrocarburos ligeros como el metano (gas natural), [48] propano y butano. [49] Estas pilas de combustible se encuentran en una etapa temprana de desarrollo. [50]

Los sistemas SOFC presentan desafíos debido a sus altas temperaturas de funcionamiento. Uno de ellos es la posibilidad de que se acumule polvo de carbono en el ánodo, lo que ralentiza el proceso de reformado interno. Las investigaciones para abordar este problema de la "coquización del carbono" en la Universidad de Pensilvania han 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. [51] Otra desventaja de los sistemas SOFC es el largo tiempo de arranque, lo que hace que las SOFC sean menos útiles para aplicaciones móviles. A pesar de estas desventajas, una temperatura de funcionamiento alta proporciona una ventaja al eliminar la necesidad de un catalizador de metal precioso como el platino, lo que reduce el costo. Además, el calor residual de los sistemas SOFC se puede capturar y reutilizar, lo que aumenta la eficiencia general teórica hasta un 80-85%. [6]

La alta temperatura de funcionamiento se debe en gran medida a las propiedades físicas del electrolito YSZ. A medida que la temperatura disminuye, también lo hace la conductividad iónica del YSZ. Por lo tanto, para obtener el rendimiento óptimo de la celda de combustible, se requiere una temperatura de funcionamiento alta. Según su sitio web, Ceres Power , un fabricante de celdas de combustible SOFC del Reino Unido, 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 con un electrolito CGO (óxido de gadolinio y cerio). La temperatura de funcionamiento más baja 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. [52]

Pila de combustible de carbonato fundido

Las celdas de combustible de carbonato fundido (MCFC) requieren una temperatura de funcionamiento alta, 650 °C (1200 °F), similar a las SOFC . Las MCFC utilizan sal de 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 de carbonato negativos. [53]

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 MCFC incluyen gas natural, biogás y gas producido a partir de carbón. El hidrógeno en el gas reacciona con iones de carbonato del electrolito para producir agua, dióxido de carbono, electrones y pequeñas cantidades de otros 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 de carbonato que reponen el electrolito, completando el circuito. [53] Las reacciones químicas para un sistema MCFC se pueden expresar de la siguiente manera: [54]

Reacción anódica : CO 3 2− + H 2 → H 2 O + CO 2 + 2e −
Reacción catódica : CO 2 + ½O 2 + 2e − → CO 3 2−
Reacción celular global : H 2 + ½O 2 → H 2 O

Al igual que las SOFC, las desventajas de las MCFC incluyen tiempos de arranque lentos debido a su alta temperatura de operación. Esto hace que los sistemas MCFC no sean adecuados para aplicaciones móviles, y esta tecnología probablemente se utilizará para propósitos de celdas 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 conducen a 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 explorando materiales resistentes a la corrosión para los componentes, así como diseños de celdas de combustible que pueden aumentar la vida útil de la celda sin disminuir el rendimiento. [6]

Las MCFC tienen varias ventajas sobre otras tecnologías de celdas 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 fabricados a partir del carbón, son compatibles con el sistema. El Departamento de Energía de los Estados Unidos afirma que el carbón, en sí mismo, podría incluso ser una opción de combustible en el futuro, suponiendo que el sistema pueda hacerse resistente a las 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 más alta que la eficiencia del 37-42% de una planta de celdas de combustible de ácido fosfórico. Las eficiencias pueden ser tan altas como el 65% cuando la celda de combustible está emparejada con una turbina, y el 85% si el calor se captura y se utiliza en un sistema combinado de calor y energía (CHP). [53]

FuelCell Energy, un fabricante de pilas de combustible con sede en Connecticut, desarrolla y vende pilas de combustible MCFC. La empresa afirma que sus productos MCFC varían desde sistemas de 300 kW a 2,8 MW que alcanzan una eficiencia eléctrica del 47% y pueden utilizar tecnología de cogeneración para obtener mayores eficiencias generales. Un producto, el DFC-ERG, se combina con una turbina de gas y, según la empresa, alcanza una eficiencia eléctrica del 65%. [55]

Pila de combustible de almacenamiento eléctrico

La pila de combustible de almacenamiento eléctrico es una batería convencional que se carga mediante la entrada de energía eléctrica, utilizando el efecto electroquímico convencional. Sin embargo, la batería incluye además entradas de hidrógeno (y oxígeno) para cargar la batería químicamente de manera alternativa. [56]

Comparación de tipos de pilas de combustible

Glosario de términos en tabla:

Ánodo
El electrodo en el que se produce la oxidación (pérdida de electrones). En el caso de las pilas de combustible y otras celdas galvánicas, el ánodo es el terminal negativo; en el caso de las celdas electrolíticas (donde se produce la electrólisis), el ánodo es el terminal positivo. [60]
Solución acuosa [61]
De, relacionado con o parecido al agua
Hecho de, con o por agua.
Catalizador
Sustancia química que aumenta la velocidad de una reacción sin consumirse; después de la reacción, puede recuperarse potencialmente de la mezcla de reacción y no sufre cambios químicos. El catalizador reduce la energía de activación necesaria, lo que permite que la reacción se realice más rápidamente o a una temperatura más baja. En una celda de combustible, el catalizador facilita la reacción del oxígeno y el hidrógeno. Generalmente está hecho de polvo de platino recubierto muy finamente sobre papel carbón o tela. El catalizador es rugoso y poroso, por lo que la superficie máxima del platino puede estar expuesta al hidrógeno o al oxígeno. El lado recubierto de platino del catalizador está orientado hacia la membrana en la celda de combustible. [60]
Cátodo
El electrodo en el que se produce la reducción (ganancia de electrones). En las pilas de combustible y otras celdas galvánicas, el cátodo es el terminal positivo; en las celdas electrolíticas (donde se produce la electrólisis), el cátodo es el terminal negativo. [60]
Electrólito
Una sustancia que conduce iones cargados de un electrodo a otro en una celda de combustible, una batería o un electrolizador. [60]
Pila de pilas de combustible
Pilas de combustible individuales conectadas en serie. Las pilas de combustible se apilan para aumentar el voltaje. [60]
Matriz
algo dentro o de lo cual algo más se origina, se desarrolla o toma forma. [62]
Membrana
La capa separadora de una celda de combustible que actúa como electrolito (un intercambiador de iones) y también como película de barrera que separa los gases en los compartimentos del ánodo y del cátodo de la celda de combustible. [60]
Pila de combustible de carbonato fundido (MCFC)
Un tipo de celda de combustible que contiene un electrolito de carbonato fundido. Los iones de carbonato (CO 3 2− ) se transportan desde el cátodo hasta el ánodo. Las temperaturas de funcionamiento suelen rondar los 650 °C. [60]
Pila de combustible de ácido fosfórico (PAFC)
Un tipo de celda de combustible en la que el electrolito consiste en ácido fosfórico concentrado (H 3 PO 4 ). Los protones (H+) se transportan desde el ánodo hasta el cátodo. El rango de temperatura de funcionamiento es generalmente de 160 a 220 °C. [60]
Celda de combustible de membrana de intercambio de protones (PEM)
Celda de combustible que incorpora una membrana de polímero sólido utilizada como electrolito. Los protones (H+) se transportan desde el ánodo al cátodo. El rango de temperatura de funcionamiento es generalmente de 60 a 100 °C para la celda de combustible de membrana de intercambio de protones de baja temperatura (LT-PEMFC). [60] La celda de combustible PEM con una temperatura de funcionamiento de 120 a 200 °C se denomina celda de combustible de membrana de intercambio de protones de alta temperatura (HT-PEMFC). [63]
Pila de combustible de óxido sólido (SOFC)
Un tipo de celda de combustible en la que el electrolito es un óxido metálico sólido y no poroso, típicamente óxido de circonio (ZrO 2 ) tratado con Y 2 O 3 , y el O 2− se transporta desde el cátodo hasta el ánodo. Cualquier CO en el gas reformado se oxida a CO 2 en el ánodo. Las temperaturas de operación son típicamente de 800 a 1000 °C. [60]
Solución [64]
Un acto o proceso mediante el cual una sustancia sólida, líquida o gaseosa se mezcla homogéneamente con un líquido o, a veces, 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 que produce el sistema ("energía de salida") y la cantidad total de energía que se introduce ("energía de entrada") o por la energía de salida útil como porcentaje de la energía de entrada total. En el caso de las pilas de combustible, la energía de salida útil 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 los EE. UU., las pilas de combustible generalmente tienen una eficiencia energética de entre el 40 y el 60 %. [65] Esto es más alto que algunos otros sistemas de generación de energía. Por ejemplo, el motor de combustión interna de un automóvil puede tener una eficiencia energética de aproximadamente el 43 %. [66] [67] Las plantas de energía a vapor generalmente alcanzan eficiencias del 30 al 40 % [68] mientras que las plantas de turbinas de gas y vapor de ciclo combinado pueden alcanzar eficiencias superiores al 60 %. [69] [70] En los sistemas combinados de calor y energía (CHP), el calor residual producido por el ciclo de energía primario (ya sea de celdas de combustible, fisión nuclear o combustión) se captura y se utiliza, lo que aumenta la eficiencia del sistema hasta un 85-90%. [6]

La eficiencia máxima teórica de cualquier tipo de sistema de generación de energía nunca se alcanza en la práctica, y no considera otros pasos en la generación de energía, como la producción, el transporte y el almacenamiento de combustible y la conversión de la electricidad en energía mecánica. Sin embargo, este cálculo permite la comparación de diferentes tipos de generación de energía. La eficiencia máxima teórica de una celda de combustible se acerca al 100%, [71] mientras que la eficiencia máxima teórica de los motores de combustión interna es aproximadamente del 58%. [72]

En la práctica

Los valores se dan desde el 40% para ácidos, el 50% para carbonato fundido y el 60% para pilas de combustible alcalinas, de óxido sólido y PEM. [73]

Las pilas de combustible no pueden almacenar energía como una batería, [74] excepto como hidrógeno, pero en algunas aplicaciones, como las plantas de energía independientes 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 refinar petróleo, productos químicos y producción de fertilizantes (donde se requiere hidrógeno para el proceso Haber-Bosch ), y el 98% del hidrógeno se produce mediante reformado de metano con vapor , que emite dióxido de carbono. [75] La eficiencia general (electricidad a hidrógeno y nuevamente a electricidad) de tales plantas (conocida como eficiencia de ida y vuelta ), utilizando hidrógeno puro y oxígeno puro, puede ser "de 35 hasta 50 por ciento", dependiendo de la densidad del gas y otras condiciones. [76] El sistema de electrolizador/pila 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 producen calor a partir de la recombinación del oxígeno y el 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 cogeneración (m-CHP) a pequeña escala. Cuando se captura el calor, la eficiencia total puede alcanzar el 80-90% en la unidad, pero no se tienen en cuenta las pérdidas de producción y distribución. Actualmente se están desarrollando unidades de cogeneración para el mercado doméstico europeo.

En 2008, el profesor Jeremy P. Meyers escribió en la revista Interface de la Electrochemical Society : "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, en caso de que el hidrógeno se forme por electrólisis del agua)... Tienen más sentido para el funcionamiento desconectado de la red, 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 intercambio de baterías es inconveniente]". [77] En 2013, las organizaciones militares estaban evaluando las pilas de combustible para determinar si podían reducir significativamente el peso de las baterías que transportan los soldados. [78]

En vehículos

En un vehículo de pila de combustible, la eficiencia de tanque a rueda es mayor del 45% con cargas bajas [79] 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. [80] 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 tener una eficiencia de tanque a rueda del 60%. [81]

También es importante tener en cuenta las pérdidas debidas a la producción, el transporte y el almacenamiento de combustible. Los vehículos con pilas de combustible que funcionan con hidrógeno comprimido pueden tener una eficiencia de planta motriz a rueda del 22% si el hidrógeno se almacena como gas a alta presión, y del 17% si se almacena como hidrógeno líquido . [82]

Aplicaciones

Submarino tipo 212 con propulsión por pila de combustible. Este ejemplar en dique seco es operado por la Armada alemana .

Fuerza

Las pilas de combustible estacionarias se utilizan para la generación de energía primaria y de reserva en ámbitos comerciales, industriales y residenciales. Las pilas de combustible son muy útiles como fuentes de energía en lugares remotos, como naves espaciales, estaciones meteorológicas remotas, grandes parques, centros de comunicaciones, lugares rurales, incluidas estaciones de investigación, y en ciertas aplicaciones militares. Un sistema de pilas de combustible que funcione con hidrógeno puede ser compacto y ligero, y no tener partes móviles importantes. Como las pilas de combustible no tienen partes móviles y no implican combustión, en condiciones ideales pueden alcanzar una fiabilidad de hasta el 99,9999 %. [83] Esto equivale a menos de un minuto de inactividad en un período de seis años. [83]

Dado que los sistemas de electrolizadores de celdas de combustible no almacenan combustible en sí mismos, sino que dependen de unidades de almacenamiento externas, se pueden aplicar con éxito en el almacenamiento de energía a gran escala, siendo las áreas rurales un ejemplo. [84] Hay muchos tipos diferentes de celdas de combustible estacionarias, por lo que las eficiencias varían, pero la mayoría tienen entre un 40% y un 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 solo tienen una eficiencia energética de alrededor de un tercio. [85] Suponiendo una producción a escala, las celdas de combustible podrían ahorrar entre un 20% y un 40% en costos de energía cuando se usan en sistemas de cogeneración. [86] Las celdas de combustible también son mucho más limpias que la generación de energía tradicional; una planta de energía de celdas de combustible que use gas natural como fuente de hidrógeno crearía menos de una onza de contaminación (aparte de CO2 ) por cada 1000 kW·h producidos, en comparación con 25 libras de contaminantes generados por los sistemas de combustión convencionales. [87] Las pilas de combustible también producen un 97% menos de emisiones de óxido de nitrógeno que las centrales eléctricas convencionales alimentadas con carbón.

Un programa piloto de este tipo está en marcha en la isla Stuart, en el estado de Washington. Allí, la Iniciativa Energética de la Isla Stuart [88] ha construido un sistema completo de circuito cerrado: paneles solares alimentan un electrolizador que produce hidrógeno. El hidrógeno se almacena en un tanque de 500 galones estadounidenses (1.900 L) a 200 libras por pulgada cuadrada (1.400 kPa) y hace funcionar una pila de combustible ReliOn para proporcionar energía eléctrica de respaldo completa a la residencia que no está conectada a la red. A finales de 2011 se dio a conocer otro sistema de circuito cerrado en Hempstead, Nueva York. [89]

Las pilas de combustible se pueden utilizar 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. [90] Se están desarrollando pilas de combustible de pequeña escala (menos de 5 kWh) para su uso en instalaciones residenciales fuera de la red. [91]

Cogeneración

Los sistemas de células de combustible de cogeneración (CHP), incluidos los microsistemas de cogeneración (MicroCHP), se utilizan para generar electricidad y calor para hogares (véase célula de combustible doméstica ), edificios de oficinas y fábricas. El sistema genera energía eléctrica constante (vendiendo el exceso de energía 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 de cogeneración tienen el potencial de ahorrar energía primaria, ya que pueden aprovechar el calor residual que generalmente es rechazado por los sistemas de conversión de energía térmica. [92] Un rango de capacidad típico de célula de combustible doméstica es de 1–3 kW el , 4–8 kW th . [93] [94] Los sistemas de cogeneración vinculados a enfriadores de absorción utilizan su calor residual para refrigeración . [95]

El calor residual de las pilas de combustible se puede desviar durante el verano directamente al suelo, lo que proporciona una mayor refrigeración, mientras que el calor residual durante el invierno se puede bombear directamente al edificio. La Universidad de Minnesota posee los derechos de patente de este tipo de sistema. [96] [97]

Los sistemas de cogeneración pueden alcanzar una eficiencia del 85% (40–60% eléctrico y el resto como térmico). [6] Las celdas de combustible de ácido fosfórico (PAFC) comprenden el segmento más grande de productos de cogeneración existentes en todo el mundo y pueden proporcionar eficiencias combinadas cercanas al 90%. [98] [99] Las celdas de combustible de carbonato fundido (MCFC) y de óxido sólido (SOFC) también se utilizan para la generación combinada de calor y energía y tienen eficiencias de energía eléctrica de alrededor del 60%. [100] Las desventajas de los sistemas de cogeneración incluyen tasas de aumento y disminución lentas, alto costo y vida útil corta. [101] [102] Además, su necesidad de tener un tanque de almacenamiento de agua caliente para suavizar la producción de calor térmico era una desventaja grave en el mercado doméstico donde el espacio en las propiedades domésticas es muy valioso. [103]

Los consultores de Delta-ee afirmaron en 2013 que, con un 64% de las ventas globales, la microcombinación de calor y energía con pilas de combustible superó a los sistemas convencionales en ventas en 2012. [78] 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 . [104]

Vehículos eléctricos de pila de combustible (FCEV)

Configuración de componentes en un automóvil de pila de combustible
Toyota Mirai
Vehículo de pila de combustible Element One

Automóviles

Se han introducido 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 alrededor de 18.000 FCEV en todo el mundo. [105] [106] Los vehículos eléctricos de pila de combustible tienen una autonomía media de 505 km (314 mi) entre reabastecimientos [107] y se pueden reabastecer en unos 5 minutos. [108] 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 alcanzaron una eficiencia del 53-59% a un cuarto de potencia y una eficiencia del vehículo del 42-53% a plena potencia, [109] y una durabilidad de más de 120.000 km (75.000 mi) con menos del 10% de degradación. [110] En un análisis de simulación Well-to-Wheels de 2017 que "no abordó las limitaciones económicas y del mercado", General Motors y sus socios estimaron que, para un viaje equivalente, un vehículo eléctrico de pila de combustible que funcionara con hidrógeno gaseoso comprimido producido a partir de gas natural podría utilizar aproximadamente un 40% menos de energía y emitir un 45% menos de gases de efecto invernadero que un vehículo de combustión interna. [111]

En 2015, Toyota presentó su primer vehículo de pila de combustible, el Mirai, a un precio de 57.000 dólares. [112] Hyundai presentó el Hyundai ix35 FCEV de producción limitada bajo un contrato de arrendamiento. [113] En 2016, Honda comenzó a arrendar el Honda Clarity Fuel Cell. [114] En 2018, Hyundai presentó el Hyundai Nexo , en sustitución del Hyundai ix35 FCEV . En 2020, Toyota presentó la segunda generación de su marca Mirai, mejorando la eficiencia del combustible y ampliando la autonomía en comparación con el modelo Sedán original de 2014. [115]

En 2024, los propietarios de Mirai presentaron una demanda colectiva contra Toyota en California por la falta de disponibilidad de hidrógeno para los automóviles eléctricos de celdas de combustible, alegando, entre otras cosas, ocultación fraudulenta y tergiversación, así como violaciones de la ley de publicidad falsa de California e infracciones de la garantía implícita. [116]

Crítica

Algunos comentaristas creen que los coches con pilas de combustible de hidrógeno nunca serán económicamente competitivos con otras tecnologías [117] [118] [119] o que tardarán décadas en ser rentables. [77] [120] Elon Musk, director ejecutivo del fabricante de vehículos eléctricos a batería Tesla Motors , afirmó en 2015 que las pilas de combustible para su uso en coches nunca serán comercialmente viables debido a la ineficiencia de la producción, el transporte y el almacenamiento de hidrógeno y la inflamabilidad del gas, entre otras razones. [121] En 2012, Lux Research, Inc. publicó un informe que afirmaba: "El sueño de una economía del hidrógeno... no está más cerca". Concluyó que "el coste de capital... limitará la adopción a unos meros 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 estacionario de PEM alcanzará los mil millones de dólares, mientras que el mercado de vehículos, incluidas las carretillas elevadoras, alcanzará un total de dos mil millones de dólares. [120] Otros análisis citan la falta de una amplia infraestructura de hidrógeno en los EE. UU. como un desafío constante para la comercialización de vehículos eléctricos de pila de combustible. [79]

En 2014, Joseph Romm , autor de The Hype About Hydrogen (2005), dijo 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". [122] Concluyó que la energía renovable no se puede utilizar económicamente para producir hidrógeno para una flota de FCV "ni ahora ni en el futuro". [117] El analista de Greentech Media llegó a conclusiones similares en 2014. [123] En 2015, CleanTechnica enumeró algunas de las desventajas de los vehículos de pila de combustible de hidrógeno. [124] También lo hizo Car Throttle . [125] 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 todavía se produce a partir de combustibles fósiles libera dióxido de carbono, y producir hidrógeno a partir del agua es un proceso que consume mucha energía. Almacenar hidrógeno requiere más energía, ya sea para enfriarlo hasta el estado líquido o para colocarlo en tanques a alta presión, y entregar el hidrógeno a las estaciones de servicio requiere más energía y puede liberar más carbono. El hidrógeno necesario para mover un FCV un kilómetro cuesta aproximadamente 8 veces más que la electricidad necesaria para mover un BEV la misma distancia. [126]

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%. [127] En 2021, CleanTechnica concluyó que (a) los coches de hidrógeno siguen siendo mucho menos eficientes que los coches eléctricos; (b) el hidrógeno gris (hidrógeno producido con procesos contaminantes) constituye la gran mayoría del hidrógeno disponible; (c) el suministro de hidrógeno requeriría la construcción de una nueva infraestructura de suministro y reabastecimiento enorme y costosa; y (d) las dos "ventajas restantes de los vehículos de pila de combustible (mayor autonomía y tiempos de reabastecimiento más rápidos) se están erosionando rápidamente debido a la mejora de la tecnología de baterías y carga". [128] Un estudio de 2022 en Nature Electronics estuvo de acuerdo. [129] Un estudio de 2023 del Centro de 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. [130]

Autobuses

Toyota FCHV-BUS en la Expo 2005

En agosto de 2011 , había alrededor de 100 autobuses de pila de combustible en servicio en todo el mundo. [131] La mayoría de ellos fueron fabricados por UTC Power , Toyota, Ballard, Hydrogenics y Proton Motor. Los autobuses de UTC habían recorrido más de 970.000 km (600.000 mi) en 2011. [132] Los autobuses de pila de combustible tienen entre un 39% y un 141% más de economía de combustible que los autobuses diésel y los autobuses de gas natural. [111] [133]

En 2019 , el NREL estaba evaluando varios proyectos de autobuses de pila de combustible actuales y planificados en los EE. UU. [134]

Trenes

Los operadores ferroviarios pueden utilizar pilas de combustible de hidrógeno en los trenes en un esfuerzo por ahorrar los costes de instalación de electrificación aérea y mantener la autonomía ofrecida por los trenes diésel. Sin embargo, han tenido que afrontar gastos debido a que las pilas de combustible en los trenes duran solo tres años, el mantenimiento del tanque de hidrógeno y la necesidad adicional de baterías como reserva de energía. [135] [136] 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. [137] También se han introducido trenes de hidrógeno en Suecia [138] y el Reino Unido. [139]

Camiones

En diciembre de 2020, Toyota y Hino Motors , junto con Seven-Eleven (Japón) , FamilyMart y Lawson anunciaron que acordaron considerar conjuntamente la introducción de camiones eléctricos de celda de combustible de servicio ligero (FCET de servicio ligero). [140] Lawson comenzó a realizar pruebas de entrega a baja temperatura a fines de julio de 2021 en Tokio, utilizando un Hino Dutro en el que se implementa la celda de combustible Toyota Mirai . FamilyMart comenzó a realizar pruebas en la ciudad de Okazaki . [141]

En agosto de 2021, Toyota anunció su plan de fabricar módulos de pilas 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. La empresa planea comenzar a ensamblar los dispositivos electroquímicos en 2023. [142]

En octubre de 2021, el camión basado en pila de combustible de Daimler Truck recibió la aprobación de las autoridades alemanas para su uso en vías públicas. [143]

Carretillas elevadoras

Una carretilla elevadora de pila de combustible (también llamada carretilla elevadora de pila de combustible) es una carretilla elevadora industrial impulsada por pila de combustible que se utiliza para levantar y transportar materiales. En 2013, se utilizaron más de 4000 carretillas elevadoras de pila de combustible en la manipulación de materiales en los EE. UU. [144], de las cuales 500 recibieron financiación del DOE (2012). [145] [146] En 2024, aproximadamente 50 000 carretillas elevadoras de hidrógeno están en funcionamiento en todo el mundo (la mayor parte de las cuales se encuentran en los EE. UU.), en comparación con los 1,2 millones de carretillas elevadoras eléctricas a batería que se compraron en 2021. [147]

La mayoría de las empresas de Europa y Estados Unidos no utilizan carretillas elevadoras impulsadas por petróleo, ya que estos vehículos funcionan en interiores donde las emisiones deben controlarse y, en su lugar, utilizan carretillas elevadoras eléctricas. [148] [149] Las carretillas elevadoras impulsadas por celdas de combustible se pueden reabastecer en 3 minutos y se pueden utilizar en almacenes refrigerados, donde su rendimiento no se degrada por las temperaturas más bajas. Las unidades de celdas de combustible a menudo se diseñan como reemplazos directos. [150] [151]

Motocicletas y bicicletas

En 2005, un fabricante británico de pilas de combustible alimentadas con hidrógeno, Intelligent Energy (IE), produjo la primera motocicleta que funcionaba con hidrógeno, llamada ENV (vehículo neutro en emisiones). La motocicleta tiene suficiente combustible para funcionar durante cuatro horas y recorrer 160 km (100 mi) en un área urbana, a una velocidad máxima de 80 km/h (50 mph). [152] En 2004, Honda desarrolló una motocicleta de pila de combustible que utilizaba el Honda FC Stack. [153] [154]

Otros ejemplos de motocicletas [155] y bicicletas [156] que utilizan pilas de combustible de hidrógeno incluyen el scooter de la empresa taiwanesa APFCT [157] que utiliza el sistema de alimentación de la italiana Acta SpA [158] y el scooter Suzuki Burgman con una pila de combustible IE que recibió la aprobación de tipo de vehículo completo de la UE en 2011. [159] Suzuki Motor Corp. e IE han anunciado una empresa conjunta para acelerar la comercialización de vehículos de cero emisiones. [160]

Aviones

En 2003, se realizó el primer vuelo del mundo con propulsión por hélice que funcionaba completamente con una pila de combustible. La pila de combustible era un diseño apilado que permitía que la pila de combustible se integrara con las superficies aerodinámicas del avión. [161] Los vehículos aéreos no tripulados (UAV) propulsados ​​por pilas de combustible incluyen un UAV de pila de combustible Horizon que estableció el récord de distancia volada para un UAV pequeño en 2007. [162] Los investigadores de Boeing y socios de la industria en toda Europa realizaron pruebas de vuelo experimentales en febrero de 2008 de un avión tripulado propulsado únicamente por una pila de combustible y baterías ligeras. El avión de demostración de pila de combustible, como se lo llamó, utilizó un sistema híbrido de pila de combustible de membrana de intercambio de protones (PEM)/ batería de iones de litio para alimentar un motor eléctrico, que estaba acoplado a una hélice convencional. [163]

En 2009, el Ion Tiger del Laboratorio de Investigación Naval (NRL) utilizó una pila de combustible alimentada por hidrógeno y voló durante 23 horas y 17 minutos. [164] Las pilas 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 se reducen las emisiones de carbono. [165] [166] [ verificación fallida ] En 2016, un dron Raptor E1 realizó un vuelo de prueba exitoso usando una pila de combustible que era más liviana que la batería de iones de litio que reemplazó. El vuelo duró 10 minutos a una altitud de 80 metros (260 pies), aunque se informó que la pila de combustible tenía suficiente combustible para volar durante dos horas. El combustible estaba contenido en aproximadamente 100 pellets sólidos de 1 centímetro cuadrado (0,16 pulgadas cuadradas) compuestos de un químico patentado dentro de un cartucho sin presurizar. Los pellets son físicamente robustos y funcionan a temperaturas tan cálidas como 50 °C (122 °F). La célula era de Arcola Energy. [167]

Lockheed Martin Skunk Works Stalker es un UAV eléctrico propulsado por una pila de combustible de óxido sólido. [168]

Barcos

Barco de pila de combustible ( Hydra ), en Leipzig , Alemania

El Hydra , un barco de pila de combustible con capacidad para 22 personas, operó de 1999 a 2001 en el río Rin cerca de Bonn , Alemania, [169] y se utilizó como transbordador en Gante , Bélgica, durante una conferencia sobre barcos eléctricos en 2000. Fue completamente certificado por el Germanischer Lloyd para el transporte de pasajeros. [170] El Zemship, un pequeño barco de pasajeros, se produjo entre 2003 y 2013. Utilizaba pilas de combustible de membrana de electrolito de polímero (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 energética de 560 V y 234 kWh. [171] Fabricado en Hamburgo , Alemania, el FCS Alsterwasser, revelado 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 propulsó este barco fue producida por Proton Motor Fuel Cell GmbH. [172]

En 2010, se produjo por primera vez el MF Vågen, que utiliza celdas de combustible de 12 kW y un 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. [171] El Hornblower Hybrid debutó en 2012. Utiliza un generador diésel , baterías, energía fotovoltaica , energía eólica y celdas de combustible para obtener energía. [171] Fabricado en Bristol , un ferry híbrido de 12 pasajeros, Hydrogenesis, ha estado en funcionamiento desde 2012. [171] El SF-BREEZE es un barco de dos motores que utiliza celdas de combustible de 41 × 120 kW. Con un tanque de almacenamiento tipo C, el recipiente presurizado puede mantener 1200 kg de LH2. Estos barcos todavía están en funcionamiento hoy. [171] En Noruega, el primer ferry propulsado por pilas de combustible que funcionan con hidrógeno líquido tenía previsto realizar sus primeras pruebas de conducción en diciembre de 2022. [173] [174]

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. [ cita requerida ] El U212A es un submarino no nuclear desarrollado por el astillero naval alemán Howaldtswerke Deutsche Werft. [175] El sistema consta de nueve pilas de combustible PEM, que proporcionan entre 30 kW y 50 kW cada una. El barco es silencioso, lo que le da una ventaja en la detección de otros submarinos. [176]

Sistemas de energía portátiles

Los sistemas de pilas de combustible portátiles se clasifican generalmente como aquellos que pesan menos de 10 kg y proporcionan una potencia de menos de 5 kW. [177] El tamaño potencial del mercado para pilas de combustible más pequeñas es bastante grande, con una tasa de crecimiento potencial de hasta el 40% anual y un tamaño de mercado de alrededor de 10 mil millones de dólares, lo que lleva a que se dedique una gran cantidad de investigación al desarrollo de pilas de energía portátiles. [178] 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, campos petrolíferos remotos).

Las micropilas de combustible están destinadas principalmente a penetrar en el mercado de teléfonos y ordenadores portátiles. Esto se puede atribuir principalmente a la ventajosa densidad energética que proporcionan las pilas de combustible en comparación con una batería de iones de litio, para todo el sistema. En el caso de una batería, este sistema incluye el cargador, así como la propia batería. En el caso de la pila de combustible, este sistema incluiría la pila, el combustible necesario y los accesorios periféricos. Teniendo en cuenta el sistema completo, se ha demostrado que las pilas de combustible proporcionan 530 Wh/kg en comparación con los 44 Wh/kg de las baterías de iones de litio. [178] Sin embargo, aunque el peso de los sistemas de pilas de combustible ofrece una clara ventaja, los costes actuales no están a su favor. Mientras que un sistema de batería suele costar alrededor de 1,20 dólares por Wh, los sistemas de pilas de combustible cuestan alrededor de 5 dólares por Wh, lo que los sitúa en una desventaja significativa. [178]

A medida que aumentan las demandas de energía de los teléfonos celulares, las celdas de combustible podrían convertirse en opciones mucho más atractivas para una mayor generación de energía. La demanda de un mayor tiempo de funcionamiento de los teléfonos y las computadoras es algo que los consumidores suelen exigir, por lo que las celdas de combustible podrían comenzar a avanzar en los mercados de las computadoras portátiles y los teléfonos celulares. El precio seguirá bajando a medida que los avances en celdas de combustible sigan acelerándose. Las estrategias actuales para mejorar las microceldas de combustible son mediante el uso de nanotubos de carbono . Girishkumar et al. demostraron que depositar nanotubos en las superficies de los electrodos permite una superficie sustancialmente mayor, lo que aumenta la tasa de reducción de oxígeno. [179]

Las pilas de combustible para su uso en operaciones a gran escala también son muy prometedoras. Los sistemas de energía portátiles que utilizan pilas de combustible se pueden utilizar en el sector del ocio (es decir, vehículos recreativos, cabañas, embarcaciones), el sector industrial (es decir, energía para lugares remotos, incluidos pozos de gas o petróleo, torres de comunicación, seguridad, estaciones meteorológicas) y en el sector militar. SFC Energy es un fabricante alemán de pilas de combustible de metanol directo para una variedad de sistemas de energía portátiles. [180] Ensol Systems Inc. es un integrador de sistemas de energía portátiles que utiliza la DMFC de SFC Energy. [181] La principal ventaja de las pilas de combustible en este mercado es la gran generación de energía por peso. Si bien las pilas de combustible pueden ser caras, para lugares remotos que requieren energía confiable, las pilas de combustible tienen una gran potencia. Para una excursión de 72 horas, la comparación en peso es sustancial, ya que una pila de combustible pesa solo 15 libras en comparación con las 29 libras de baterías necesarias para la misma energía. [177]

Otras aplicaciones

Estaciones de abastecimiento de combustible

Estación de abastecimiento de hidrógeno

Según FuelCellsWorks, un grupo industrial, a finales de 2019, 330 estaciones de servicio de hidrógeno estaban abiertas al público en todo el mundo. [189] En junio de 2020, había 178 estaciones de hidrógeno disponibles al público en funcionamiento en Asia. [190] 114 de ellas estaban en Japón. [190] Había al menos 177 estaciones en Europa, y aproximadamente la mitad de ellas estaban en Alemania. [191] [192] Había 44 estaciones de acceso público en los EE. UU., 42 de las cuales estaban ubicadas en California. [193]

Construir una estación de abastecimiento de hidrógeno cuesta entre uno y cuatro millones de dólares. [194]

Implicaciones sociales

A partir de 2023, aún persisten barreras tecnológicas para la adopción de pilas de combustible. [195] Las pilas de combustible se utilizan principalmente para la manipulación de materiales en almacenes, centros de distribución e instalaciones de fabricación. [196] Se prevé que sean útiles y sostenibles en una gama más amplia de aplicaciones. [197] Pero las aplicaciones actuales no suelen llegar a las comunidades de bajos ingresos, [198] aunque se están haciendo algunos intentos de inclusión, por ejemplo en materia de accesibilidad. [199]

Mercados y economía

En 2012, los ingresos de la industria de las pilas de combustible superaron los 1.000 millones de dólares en valor de mercado a nivel mundial, y los países asiáticos del Pacífico enviaron más de 3/4 de los sistemas de pilas de combustible a nivel mundial. [200] Sin embargo, a enero de 2014, ninguna empresa pública de la industria había obtenido rentabilidad. [201] En 2010 se enviaron 140.000 pilas de combustible a nivel mundial, frente a los 11.000 envíos de 2007, y entre 2011 y 2012 los envíos de pilas de combustible a nivel mundial tuvieron una tasa de crecimiento anual del 85%. [202] Tanaka Kikinzoku amplió sus instalaciones de fabricación en 2011. [203] Aproximadamente el 50% de los envíos de pilas de combustible en 2010 fueron pilas de combustible estacionarias, frente a aproximadamente un tercio en 2009, y los cuatro productores dominantes en la industria de las pilas de combustible fueron Estados Unidos, Alemania, Japón y Corea del Sur. [204] La Alianza de Conversión de Energía de Estado Sólido del Departamento de Energía descubrió que, a partir de enero de 2011, las celdas de combustible estacionarias generaban energía a un costo aproximado de $724 a $775 por kilovatio instalado. [205] En 2011, Bloom Energy, un importante proveedor de celdas de combustible, dijo que sus celdas de combustible generaban energía a 9-11 centavos por kilovatio-hora, incluido el precio del combustible, el mantenimiento y el hardware. [206] [207]

Los grupos industriales predicen que hay suficientes recursos de platino para la demanda futura, [208] y en 2007, la investigación en el Laboratorio Nacional de Brookhaven sugirió que el platino podría ser reemplazado por un recubrimiento de oro y paladio , que puede ser menos susceptible al envenenamiento y, por lo tanto, mejorar la vida útil de la celda de combustible. [209] Otro método utilizaría hierro y azufre en lugar de platino. Esto reduciría el costo de una celda de combustible (ya que el platino en una celda de combustible regular cuesta alrededor de US$1.500 , y la misma cantidad de hierro cuesta solo alrededor de US$1,50 ). El concepto estaba siendo desarrollado por una coalición del Centro John Innes y la Universidad de Milán-Bicocca . [210] Los cátodos PEDOT son inmunes al envenenamiento por monóxido de carbono . [211]

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

Investigación y desarrollo

Véase también

Referencias

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