Una pila de combustible es una pila 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 celdas de combustible se diferencian de la mayoría de las baterías en que requieren una fuente continua de combustible y oxígeno (generalmente del aire) para sostener la reacción química, mientras que en una batería la energía química generalmente proviene de sustancias que ya están presentes en la batería. [3] Las pilas de combustible pueden producir electricidad de forma continua mientras se 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 y oxígeno por Francis Thomas Bacon en 1932. La pila de combustible alcalina , también conocida como La 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 respaldo para edificios comerciales, industriales y residenciales y en áreas remotas o inaccesibles. También se utilizan para impulsar vehículos de pila de combustible , incluidos montacargas, automóviles, autobuses, [4] trenes, barcos, motocicletas y submarinos.
Hay muchos tipos de pilas de combustible, pero todas constan de un ánodo , un cátodo y un electrolito que permite que los iones, a menudo iones de hidrógeno (protones) cargados positivamente, se muevan entre los dos lados de la pila 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 pasan del ánodo al cátodo a través del electrolito. Al mismo tiempo, los electrones fluyen desde el ánodo al cátodo a través de un circuito externo, produciendo electricidad de corriente continua . En el cátodo, otro catalizador hace que reaccionen iones, electrones y oxígeno, formando agua y posiblemente otros productos. Las pilas 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 las pilas de combustible de membrana de intercambio de protones (pilas de combustible 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, alrededor de 0,7 voltios, por lo que las celdas se "apilan" o se colocan en serie para crear suficiente voltaje para cumplir con los requisitos de una aplicación. [5] Además de electricidad, las pilas 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 células PEMFC generalmente producen menos óxidos de nitrógeno que las células SOFC: funcionan a temperaturas más bajas, utilizan hidrógeno como combustible y limitan la difusión de nitrógeno hacia el ánodo a través de la membrana de intercambio de protones, que forma NOx. La eficiencia energética de una pila de combustible se sitúa generalmente entre el 40 y el 60%; sin embargo, si el calor residual se captura en un sistema de cogeneración , se pueden obtener eficiencias de hasta el 85%. [6]
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 su primera Pilas de combustible crudo. Usó 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 cruda 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 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, 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 en la membrana, que servía 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 desarrolló 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 ferias estatales en 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 autorizó 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 las naves espaciales). 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 gran sistema de pila de combustible estacionario para su uso como planta de cogeneración de energía en hospitales, universidades y grandes edificios de oficinas. [19]
En reconocimiento a la industria de las pilas de combustible y el papel de Estados Unidos en el desarrollo de las pilas de combustible, 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]
Las pilas de combustible vienen en muchas variedades; sin embargo, todos funcionan de la misma manera general. Están formados por tres segmentos adyacentes: el ánodo , el electrolito y el cátodo . Se producen dos reacciones químicas en las interfaces de los tres segmentos diferentes. 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 puede usarse para alimentar dispositivos eléctricos, normalmente denominada 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 los dos reaccionan con una tercera sustancia química, generalmente oxígeno, para crear agua o dióxido de carbono.
Las características de diseño de una pila de combustible incluyen:
Una pila de combustible típica produce un voltaje de 0,6 a 0,7 V a plena carga nominal. El voltaje disminuye a medida que aumenta la corriente, debido a varios factores:
Para entregar la cantidad deseada de energía, las pilas 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. Un diseño de este tipo se denomina pila de pila de combustible . El área de superficie de la celda también se puede aumentar para permitir una mayor corriente de cada celda.
En el diseño arquetípico de celda de combustible de membrana de intercambio de protones de óxido de hidrógeno (PEMFC), una membrana polimérica conductora de protones (típicamente nafion ) contiene la solución electrolítica que separa los lados del ánodo y del 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 entendiera bien el mecanismo de intercambio de protones. (Observe que los sinónimos membrana de electrolito polimérico y mecanismo de intercambio de protones resultan en el mismo acrónimo ).
En el lado del ánodo, el hidrógeno se difunde hacia el catalizador del ánodo, donde luego se disocia en protones y electrones. Estos protones a menudo reaccionan con oxidantes provocando que se conviertan en lo que comúnmente se conoce como membranas de protones multifacilitadas. Los protones son conducidos 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 eléctricamente aislante. En el catalizador catódico, las moléculas de oxígeno reaccionan con los electrones (que han viajado por el circuito externo) y los protones para formar agua.
Además de este tipo de hidrógeno puro, existen combustibles de hidrocarburos para pilas de combustible, incluido el diésel , el metanol ( ver: pilas de combustible de metanol directo y pilas de combustible de metanol indirecto ) e hidruros químicos. Los productos de desecho de este tipo de combustible son dióxido de carbono y agua. Cuando se utiliza hidrógeno, el CO 2 se libera cuando el metano del gas natural se combina con vapor, en un proceso llamado reformado de metano con vapor , para producir hidrógeno. Esto puede tener lugar en una ubicación diferente a la de la pila de combustible, lo que podría permitir que la pila de combustible de hidrógeno se utilice en interiores, por ejemplo, en montacargas.
Los diferentes componentes de una PEMFC son
Los materiales utilizados para las diferentes partes de las pilas de combustible difieren según el tipo. Las placas bipolares pueden estar hechas de diferentes tipos de materiales, como metal, metal recubierto, grafito , grafito flexible, compuestos C-C , compuestos de carbono - polímero , etc. [30] El conjunto de electrodos de membrana (MEA) se conoce como el corazón del PEMFC y generalmente está hecho de una membrana de intercambio de protones intercalada entre dos papeles carbón recubiertos de catalizador . Generalmente se utiliza platino y/o tipos similares de metales nobles 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 polimérica .
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 celdas, el ácido fosfórico se utiliza como electrolito no conductor para pasar protones del ánodo al cátodo y para forzar a los electrones a viajar del ánodo al cátodo a través de un circuito eléctrico externo. Estas células suelen trabajar a temperaturas de 150 a 200 °C. Esta alta temperatura provocará pérdida de calor y energía si el calor no se elimina y se utiliza adecuadamente. 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% hasta 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 celdas es el uso de un electrolito ácido. Esto aumenta la corrosión u oxidación de los componentes expuestos al ácido fosfórico. [41]
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 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. La primera prueba de concepto de SAFC se desarrolló en 2000 utilizando hidrogenosulfato de cesio (CsHSO 4 ). [42] Los sistemas SAFC actuales utilizan dihidrógenofosfato de cesio (CsH 2 PO 4 ) y han demostrado una vida útil de miles de horas. [43]
La pila de combustible alcalina (AFC) 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 celda 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 oxígeno para formar agua. La celda funciona continuamente hasta que se agota el suministro de reactivo. Este tipo de celda funciona eficientemente en el rango de temperatura de 343 a 413 K 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 potasio acuoso. hidróxido (KOH) y es superior al AFC acuoso.
Las pilas de combustible de óxido sólido (SOFC) utilizan un material sólido, más comúnmente un material cerámico llamado circonio estabilizado 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 celdas de combustible y, a menudo, están diseñadas como tubos enrollados. Requieren altas temperaturas de funcionamiento (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. Este es el caso de todos los demás tipos de pilas de combustible. El gas oxígeno se alimenta a través del cátodo, donde absorbe electrones para crear iones de oxígeno. Luego, los iones de oxígeno 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 del sistema SOFC se pueden expresar de la siguiente manera: [47]
Los sistemas SOFC pueden funcionar con otros combustibles además del gas hidrógeno puro. Sin embargo, dado que el hidrógeno es necesario para las reacciones enumeradas 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 fase temprana de desarrollo. [50]
Existen desafíos en los sistemas SOFC debido a sus altas temperaturas de funcionamiento. Uno de esos desafíos es la posibilidad de que se acumule polvo de carbón en el ánodo, lo que ralentiza el proceso de reformado interno. La investigación para abordar este problema de la "coquización con 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. [51] Otra desventaja de los sistemas SOFC es el largo inicio, 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, reduciendo así el coste. Además, el calor residual de los sistemas SOFC se puede capturar y reutilizar, lo que aumenta la eficiencia general teórica hasta entre un 80% y un 85%. [6]
La alta temperatura de funcionamiento se debe en gran medida a las propiedades físicas del electrolito YSZ. A medida que disminuye la temperatura, también lo hace la conductividad iónica de YSZ. Por tanto, para obtener el rendimiento óptimo de la pila de combustible, se requiere una temperatura de funcionamiento elevada. Según su sitio web, Ceres Power , un fabricante de pilas 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 de uso común por un electrolito CGO (óxido de cerio gadolinio). 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]
Las pilas de combustible de carbonato fundido (MCFC) requieren una temperatura de funcionamiento alta, 650 °C (1200 °F), similar a las SOFC . Los MCFC utilizan sal de carbonato de litio y potasio como electrolito, y esta sal se licua 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 combustibles fósiles en un gas rico en hidrógeno en el ánodo, eliminando la necesidad de producir hidrógeno externamente. El proceso de reforma genera emisiones de CO 2 . Los combustibles compatibles con MCFC incluyen gas natural, biogás y gas producido a partir de carbón. El hidrógeno del gas reacciona con los iones de carbonato del electrolito para producir agua, dióxido de carbono, electrones y pequeñas cantidades de otras sustancias químicas. Los electrones viajan a través de un circuito externo, crean 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 y completan el circuito. [53] Las reacciones químicas de un sistema MCFC se pueden expresar de la siguiente manera: [54]
Al igual que con las SOFC, las desventajas de las MCFC incluyen tiempos de arranque lentos debido a su alta temperatura de funcionamiento. Esto hace que los sistemas MCFC no sean adecuados para aplicaciones móviles, y lo más probable es que esta tecnología se utilice con fines de pilas de combustible estacionarias. El principal desafío de la tecnología MCFC es la corta vida útil de las células. La alta temperatura y el electrolito de carbonato provocan la corrosión del ánodo y el cátodo. Estos factores aceleran la degradación de los componentes MCFC, disminuyendo la durabilidad y la vida útil de la celda. Los investigadores están abordando este problema explorando materiales resistentes a la corrosión para componentes, así como diseños de celdas de combustible que puedan aumentar la vida útil de la celda sin disminuir el rendimiento. [6]
Los MCFC tienen varias ventajas sobre otras tecnologías de pilas de combustible, incluida su resistencia a las impurezas. No son propensos a la "coque de carbono", que se refiere a la acumulación de carbono en el ánodo que da como resultado un rendimiento reducido al ralentizar el proceso interno de reformado del combustible . Por lo tanto, los combustibles ricos en carbono, como los gases elaborados a partir del carbón, son compatibles con el sistema. El Departamento de Energía de Estados Unidos afirma que el carbón en sí podría incluso ser una opción de combustible en el futuro, suponiendo que el sistema pueda hacerse resistente a impurezas como el azufre y las partículas que resultan de la conversión del carbón en hidrógeno. [6] Los MCFC también tienen eficiencias relativamente altas. Pueden alcanzar una eficiencia de conversión de combustible en electricidad del 50%, considerablemente más alta que la eficiencia del 37-42% de una planta de pilas 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 el calor se captura y 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 compañía dice que sus productos MCFC van desde sistemas de 300 kW a 2,8 MW que logran una eficiencia eléctrica del 47% y pueden utilizar la tecnología CHP para obtener eficiencias generales más altas. Un producto, el DFC-ERG, se combina con una turbina de gas y, según la empresa, alcanza una eficiencia eléctrica del 65%. [55]
La pila de combustible de almacenamiento eléctrico es una batería convencional que se carga mediante entrada de energía eléctrica, utilizando el efecto electroquímico convencional. Sin embargo, la batería incluye además entradas de hidrógeno (y oxígeno) para cargar alternativamente la batería químicamente. [56]
Glosario de términos en la tabla:
La eficiencia energética de un sistema o dispositivo que convierte energía se mide por la relación entre la cantidad de energía útil emitida 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 entre un 40 y un 60 % de eficiencia energética. [65] Esto es más alto que algunos otros sistemas para la generación de energía. Por ejemplo, el motor de combustión interna de un automóvil puede tener una eficiencia energética de alrededor del 43%. [66] [67] Las plantas de energía de vapor generalmente alcanzan eficiencias del 30-40% [68] mientras que las plantas de turbinas de gas y de 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 pila de combustible, fisión nuclear o combustión) se captura y se utiliza, lo que aumenta la eficiencia del sistema hasta al 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 comparar diferentes tipos de generación de energía. La eficiencia máxima teórica de una pila de combustible se acerca al 100%, [71] mientras que la eficiencia máxima teórica de los motores de combustión interna es aproximadamente del 58%. [72]
Los valores se dan desde 40% para pilas ácidas, 50% para carbonato fundido y 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 centrales eléctricas independientes basadas en fuentes discontinuas como la energía solar o eólica , se combinan con electrolizadores y sistemas de almacenamiento para formar una batería. sistema de almacenamiento de energía. En 2019, el 90% del hidrógeno se utilizaba para el refinado de petróleo, la producción de productos químicos y fertilizantes (donde se requiere hidrógeno para el proceso Haber-Bosch ), y el 98% del hidrógeno se produce mediante el reformado de metano con vapor , que emite dióxido de carbono. [75] La eficiencia general (de electricidad a hidrógeno y nuevamente a electricidad) de tales plantas (conocida como eficiencia de ida y vuelta ), que utilizan hidrógeno puro y oxígeno puro, puede ser "de 35 a 50 por ciento", dependiendo de la densidad del gas y otros factores. 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 de oxígeno e hidrógeno. La cerámica puede alcanzar temperaturas de hasta 800 grados centígrados. Este calor se puede capturar y utilizar para calentar agua en una aplicación de microcombinación de calor y energía (m-CHP). Cuando se captura el calor, la eficiencia total puede alcanzar entre el 80% y el 90% en la unidad, pero no considera las pérdidas de producción y distribución. Actualmente se están desarrollando unidades CHP para el mercado interno 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... . arranques 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 llevaban los soldados. [78]
En un vehículo de pila de combustible, la eficiencia tanque-rueda es superior al 45 % con cargas bajas [79] y muestra valores medios 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 una pila de combustible que afirma tener una eficiencia del 60% entre el tanque y las ruedas. [81]
También es importante tener en cuenta las pérdidas debidas a la producción, el transporte y el almacenamiento de combustible. Los vehículos de pila de combustible que funcionan con hidrógeno comprimido pueden tener una eficiencia de planta de energía a rueda del 22% si el hidrógeno se almacena como gas a alta presión y del 17% si se almacena como hidrógeno líquido . [82]
Las pilas de combustible estacionarias se utilizan para la generación de energía primaria y de respaldo comercial, industrial y residencial. Las pilas de combustible son muy útiles como fuente de energía en lugares remotos, como naves espaciales, estaciones meteorológicas remotas, grandes parques, centros de comunicaciones, zonas rurales, incluidas estaciones de investigación, y en determinadas aplicaciones militares. Un sistema de pila de combustible que funciona con hidrógeno puede ser compacto y liviano y no tener partes móviles importantes. Debido a que las pilas de combustible no tienen partes móviles y no implican combustión, en condiciones ideales pueden alcanzar hasta un 99,9999% de confiabilidad. [83] Esto equivale a menos de un minuto de tiempo de inactividad en un período de seis años. [83]
Dado que los sistemas electrolizadores de pilas 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 un ejemplo las zonas rurales. [84] Hay muchos tipos diferentes de pilas de combustible estacionarias, por lo que la eficiencia varía, pero la mayoría tiene entre un 40% y un 60% de eficiencia energética. [6] Sin embargo, cuando el calor residual de la pila de combustible se utiliza para calentar un edificio en un sistema de cogeneración, esta eficiencia puede aumentar hasta el 85%. [6] Esto es significativamente más eficiente que las centrales eléctricas de carbón tradicionales, que sólo tienen alrededor de un tercio de eficiencia energética. [85] Suponiendo una producción a escala, las pilas de combustible podrían ahorrar entre un 20% y un 40% en costos de energía cuando se utilizan en sistemas de cogeneración. [86] Las pilas de combustible también son mucho más limpias que la generación de energía tradicional; una planta de energía de pila de combustible que utilice gas natural como fuente de hidrógeno crearía menos de una onza de contaminación (aparte de CO 2 ) por cada 1.000 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 de carbón convencionales.
Uno de esos programas piloto está funcionando 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 (1900 L) a 200 libras por pulgada cuadrada (1400 kPa) y hace funcionar una celda de combustible ReliOn para proporcionar respaldo eléctrico completo a la residencia fuera de la red. A finales de 2011 se dio a conocer otro circuito cerrado del sistema 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]
Los sistemas de pilas de combustible combinados de calor y energía (CHP), incluidos los microsistemas combinados de calor y energía (MicroCHP), se utilizan para generar electricidad y calor para hogares (consulte pila 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 CHP 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 una pila de combustible doméstica es de 1 a 3 kW el , 4 a 8 kW th . [93] [94] Los sistemas de cogeneración vinculados a enfriadores de absorción utilizan el calor residual para refrigeración . [95]
El calor residual de las pilas de combustible se puede desviar durante el verano directamente al suelo, proporcionando 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 térmico). [6] Las pilas de combustible de ácido fosfórico (PAFC) comprenden el segmento más grande de productos CHP existentes en todo el mundo y pueden proporcionar eficiencias combinadas cercanas al 90%. [98] [99] El carbonato fundido (MCFC) y las pilas de combustible 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 lentas de aumento y reducción, alto costo y corta vida útil. [101] [102] Además, su necesidad de tener un tanque de almacenamiento de agua caliente para suavizar la producción de calor térmico era una grave desventaja en el mercado interno, donde el espacio en las propiedades domésticas es muy escaso. [103]
Los consultores Delta-ee declararon en 2013 que, con el 64% de las ventas mundiales, la microcombinación de calor y energía de 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 de GNL y 6.000 de GLP . [104]
A finales de 2019, se habían alquilado o vendido alrededor de 18.000 FCEV en todo el mundo. [105] [106] Se han introducido tres vehículos eléctricos de pila de combustible para arrendamiento y venta comercial: el Honda Clarity , el Toyota Mirai y el Hyundai ix35 FCEV . Los modelos de demostración adicionales incluyen el Honda FCX Clarity y el Mercedes-Benz F-Cell . [107] En junio de 2011, los FCEV de demostración habían recorrido más de 4.800.000 km (3.000.000 millas), con más de 27.000 reabastecimientos de combustible. [108] Los vehículos eléctricos de pila de combustible tienen una autonomía media de 505 km (314 millas) entre repostajes. [109] Se pueden repostar en menos de 5 minutos. [110] 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 entre un 53% y un 59% de eficiencia a un cuarto de potencia y entre un 42% y un 53% de eficiencia del vehículo a plena potencia, [111] y una durabilidad de más de 120.000 km (75.000 millas) con menos del 10% de degradación. [112] En un análisis de simulación de 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 funciona con hidrógeno gaseoso comprimido producido a partir de El gas natural podría utilizar alrededor de un 40% menos de energía y emitir un 45% menos de gases de efecto invernadero que un vehículo de combustión interna. [113]
En 2015, Toyota presentó su primer vehículo de pila de combustible, el Mirai, a un precio de 57.000 dólares. [114] Hyundai introdujo la producción limitada Hyundai ix35 FCEV en virtud de un contrato de arrendamiento. [115] En 2016, Honda comenzó a arrendar el Honda Clarity Fuel Cell. [116] 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 Sedan 2014 original. [117]
Algunos comentaristas creen que los automóviles con pilas de combustible de hidrógeno nunca serán económicamente competitivos con otras tecnologías [118] [119] [120] o que les llevará décadas volverse rentables. [77] [121] Elon Musk, director ejecutivo del fabricante de vehículos eléctricos de batería Tesla Motors , declaró en 2015 que las pilas de combustible para su uso en automóviles nunca serán comercialmente viables debido a la ineficiencia de producir, transportar y almacenar hidrógeno y a la inflamabilidad del gas, entre otras razones. [122] En 2012, Lux Research, Inc. publicó un informe que decía: "El sueño de una economía del hidrógeno... no está más cerca". Concluyó que "el costo de capital... limitará la adopción a apenas 5,9 GW" para 2030, lo que proporcionará "una barrera casi insuperable para la adopción, excepto en aplicaciones específicas". El análisis concluyó que, para 2030, el mercado estacionario PEM alcanzará los mil millones de dólares, mientras que el mercado de vehículos, incluidas las carretillas elevadoras, alcanzará un total de 2 mil millones de dólares. [121] Otros análisis citan la falta de una infraestructura extensa de hidrógeno en los EE. UU. como un desafío continuo 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". [123] Llegó a la conclusión de que la energía renovable no puede utilizarse económicamente para producir hidrógeno para una flota de FCV "ni ahora ni en el futuro". [118] El analista de Greentech Media llegó a conclusiones similares en 2014. [124] En 2015, CleanTechnica enumeró algunas de las desventajas de los vehículos con pila de combustible de hidrógeno. [125] También lo hizo Car Throttle . [126] Un vídeo 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 de agua es un proceso que consume energía. Almacenar hidrógeno requiere más energía, ya sea para enfriarlo al estado líquido o para colocarlo en tanques a alta presión, y entregar hidrógeno a las estaciones de servicio requiere más energía y puede liberar más carbono. El hidrógeno necesario para mover un FCV por un kilómetro cuesta aproximadamente 8 veces más que la electricidad necesaria para mover un BEV la misma distancia. [127]
Una evaluación de 2020 concluyó que los vehículos de hidrógeno siguen teniendo solo un 38% de eficiencia, mientras que los vehículos eléctricos de batería tienen una eficiencia del 80%. [128] 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 mediante procesos contaminantes– constituye la gran mayoría del hidrógeno disponible; (c) el suministro de hidrógeno requeriría la construcción de una nueva y vasta y costosa infraestructura de suministro y reabastecimiento de combustible; y (d) las dos "ventajas restantes de los vehículos de pila de combustible (mayor alcance y tiempos de repostaje rápidos) se están erosionando rápidamente debido a la mejora de la tecnología de batería y carga". [129] Un estudio de 2022 en Nature Electronics estuvo de acuerdo. [130] Un estudio de 2023 realizado por el 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. [131]
En agosto de 2011 [actualizar], había alrededor de 100 autobuses de pila de combustible en servicio en todo el mundo. [132] La mayoría de estos fueron fabricados por UTC Power , Toyota, Ballard, Hydrogenics y Proton Motor. Los autobuses UTC habían recorrido más de 970.000 km (600.000 millas) en 2011. [133] Los autobuses de pila de combustible tienen una economía de combustible entre un 39% y un 141% mayor que los autobuses diésel y los de gas natural. [113] [134]
En 2019 [actualizar], el NREL estaba evaluando varios proyectos de autobuses de pila de combustible actuales y planificados en los EE. UU. [135]
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. [136] Estos trenes ofrecen las ventajas de los trenes eléctricos sobre las locomotoras diésel y las DMU al eliminar las emisiones de chimeneas de los propios trenes sin el uso de electrificación mediante infraestructura de catenaria aérea. [137] Estos trenes se han encargado o se están probando en Suecia [138] y el Reino Unido. [139]
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 de servicio liviano (FCET de servicio liviano). [140] Lawson comenzó las pruebas de entrega a baja temperatura a finales de julio de 2021 en Tokio, utilizando un Hino Dutro en el que está implementada la pila de combustible Toyota Mirai . FamilyMart comenzó a realizar pruebas en la ciudad de Okazaki . [141]
En agosto de 2021, Toyota anunció su plan para fabricar módulos de pila de combustible en su planta de ensamblaje de automóviles de Kentucky para su uso en grandes camiones y vehículos comerciales pesados de cero emisiones. Planean comenzar a ensamblar los dispositivos electroquímicos en 2023. [142]
En octubre de 2021, el camión de pila de combustible de Daimler Truck recibió la aprobación de las autoridades alemanas para su uso en vías públicas. [143]
Una carretilla elevadora de pila de combustible (también llamada carretilla elevadora de pila de combustible) es una carretilla elevadora industrial propulsada 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 el manejo 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 1,2 millones de carretillas elevadoras eléctricas de batería que se compraron en 2021. [147]
La mayoría de las empresas en Europa y Estados Unidos no utilizan carretillas elevadoras que funcionan con petróleo, ya que estos vehículos trabajan en interiores donde se deben controlar las emisiones y, en su lugar, utilizan carretillas elevadoras eléctricas. [148] [149] Las carretillas elevadoras propulsadas por pilas de combustible se pueden repostar en 3 minutos y se pueden utilizar en almacenes refrigerados, donde su rendimiento no se ve degradado por temperaturas más bajas. Las unidades FC suelen diseñarse como reemplazos directos. [150] [151]
En 2005, un fabricante británico de pilas de combustible impulsadas por hidrógeno, Intelligent Energy (IE), produjo la primera motocicleta funcional impulsada por hidrógeno llamada 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). [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 la UE. Aprobación de tipo de vehículo completo en 2011. [159] Suzuki Motor Corp. e IE han anunciado una empresa conjunta para acelerar la comercialización de vehículos de cero emisiones. [160]
En 2003 voló el primer avión de hélice del mundo propulsado íntegramente por una pila de combustible. La pila de combustible era un diseño de pila que permitía integrarla 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 la distancia récord recorrida para un UAV pequeño en 2007. [162] Investigadores de Boeing y socios industriales de 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 demostrador de pila de combustible, como se le llamó, utilizaba un sistema híbrido de pila de combustible y batería de iones de litio de membrana de intercambio de protones (PEM) 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] También se están probando y considerando pilas de combustible para proporcionar energía auxiliar en aviones, reemplazando a los generadores de combustibles fósiles que se utilizaban anteriormente para arrancar los motores y satisfacer 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 utilizando una celda 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, según se informa, la pila de combustible tenía suficiente combustible para volar durante dos horas. El combustible estaba contenido en aproximadamente 100 bolitas sólidas de 1 centímetro cuadrado (0,16 pulgadas cuadradas) compuestas de una sustancia química patentada dentro de un cartucho sin presión. Los pellets son físicamente robustos y funcionan a temperaturas de hasta 50 °C (122 °F). El celular era de Arcola Energy. [167]
Lockheed Martin Skunk Works Stalker es un UAV eléctrico propulsado por una pila de combustible de óxido sólido. [168]
El Hydra , un barco con pila de combustible para 22 personas, operó de 1999 a 2001 en el río Rin cerca de Bonn , Alemania, [169] y fue utilizado como ferry 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 fabricó entre 2003 y 2013. Utilizaba pilas 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 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 propulsado por pilas de combustible y podía transportar 100 pasajeros. La tecnología de pila de combustible híbrida que impulsa este barco fue producida por Proton Motor Fuel Cell GmbH. [172]
En 2010, se produjo por primera vez el MF Vågen, que utilizaba pilas de combustible de 12 Kw y un almacenamiento de hidrógeno de hidruro metálico de 2 a 3 kilogramos. También utiliza baterías de litio de 25kwh 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 pilas 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 pilas de combustible de 41 x 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 estaba programado para sus primeras pruebas de manejo 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 necesaria ] 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 ventaja en la detección de otros submarinos. [176]
Los sistemas de pilas de combustible portátiles generalmente se clasifican en equipos que pesan menos de 10 kg y proporcionan una potencia inferior a 5 kW. [177] El tamaño potencial del mercado para las pilas de combustible más pequeñas es bastante grande, con una tasa de crecimiento potencial anual de hasta el 40% y un tamaño de mercado de alrededor de 10.000 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 las micropilas de combustible, en el rango de 1 a 50 W para alimentar dispositivos electrónicos más pequeños. El segundo es la gama de generadores de 1 a 5 kW para generación de energía a mayor escala (por ejemplo, puestos militares, campos petrolíferos remotos).
Las micropilas de combustible tienen como objetivo principal penetrar en el mercado de teléfonos y portátiles. Esto se puede atribuir principalmente a la ventajosa densidad de energía que proporcionan las pilas de combustible en comparación con una batería de iones de litio, para todo el sistema. Para una batería, este sistema incluye tanto el cargador como la propia batería. Para 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, si bien el peso de los sistemas de pilas de combustible ofrece una clara ventaja, los costos actuales no están a su favor. Mientras que un sistema de batería cuesta generalmente alrededor de 1,20 dólares por Wh, los sistemas de pilas de combustible cuestan alrededor de 5 dólares por Wh, lo que los coloca en una desventaja significativa. [178]
A medida que aumentan las demandas de energía para los teléfonos móviles, las pilas de combustible podrían convertirse en opciones mucho más atractivas para una mayor generación de energía. La demanda de mayor duración en teléfonos y computadoras es algo que los consumidores suelen exigir, por lo que las celdas de combustible podrían comenzar a avanzar en los mercados de computadoras portátiles y teléfonos celulares. El precio seguirá bajando a medida que se siga acelerando el desarrollo de las pilas de combustible. Las estrategias actuales para mejorar las micropilas de combustible son mediante el uso de nanotubos de carbono . Fue demostrado por Girishkumar et al. que depositar nanotubos en las superficies de los electrodos permite un área de superficie sustancialmente mayor, lo que aumenta la tasa de reducción de oxígeno. [179]
Las pilas de combustible para uso en operaciones a mayor escala también son muy prometedoras. Los sistemas de energía portátiles que utilizan pilas de combustible se pueden utilizar en el sector de ocio (es decir, vehículos recreativos, cabinas, marina), el sector industrial (es decir, energía para ubicaciones remotas, incluidos pozos de gas/petróleo, torres de comunicación, seguridad, estaciones meteorológicas) y en el sector privado. 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 SFC Energy DMFC. [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 costosas, para ubicaciones remotas que requieren energía confiable, las pilas de combustible tienen una gran potencia. Para una excursión de 72 h, la comparación de peso es sustancial: una celda de combustible pesa solo 15 libras en comparación con las 29 libras de las baterías necesarias para la misma energía. [177]
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 públicamente en funcionamiento en Asia. [190] 114 de ellos 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 servicio de hidrógeno cuesta entre 1 y 4 millones de dólares. [194]
A partir de 2023, persisten las 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 accesibilidad. [199]
En 2012, los ingresos de la industria de pilas de combustible superaron los mil millones de dólares en valor de mercado en todo el mundo, y los países de Asia y el Pacífico exportaron más de 3/4 de los sistemas de pilas de combustible a todo el mundo. [200] Sin embargo, en enero de 2014, ninguna empresa pública del sector se había vuelto rentable. [201] Se enviaron 140.000 pilas de pilas de combustible a nivel mundial en 2010, frente a 11.000 envíos en 2007, y de 2011 a 2012 los envíos mundiales de pilas de combustible 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 pilas de combustible fueron los Estados Unidos. Estados Unidos, Alemania, Japón y Corea del Sur. [204] La Alianza de Conversión de Energía de Estado Sólido del Departamento de Energía descubrió que, en enero de 2011, las pilas de combustible estacionarias generaban energía a aproximadamente entre 724 y 775 dólares por kilovatio instalado. [205] 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, 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, una investigación en el Laboratorio Nacional de Brookhaven sugirió que el platino podría reemplazarse por un recubrimiento de oro y paladio , que puede ser menos susceptible al envenenamiento y, por lo tanto, mejorar la celda de combustible. toda la vida. [209] Otro método utilizaría hierro y azufre en lugar de platino. Esto reduciría el coste de una pila de combustible (ya que el platino de una pila de combustible normal cuesta alrededor de 1.500 dólares estadounidenses , y la misma cantidad de hierro cuesta sólo alrededor de 1,50 dólares estadounidenses ). 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]
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