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- Tutorial nº 115 -

Pilas de Combustible

Índice de contenidos:

1- Introducción

1.1- Generalidades

1.2- Ventajas del uso de las pilas de combustible en automoción

2- El uso del hidrógeno en las pilas de combustible

2.1- Características químicas del hidrógeno

2.2- Principales aplicaciones del hidrógeno

2.3- Procedimientos actuales para la obtención de hidrógeno

2.4- Alternativas para la producción de hidrógeno en el futuro

3- Estudio de las pilas de combustible

3.1- Definición de pila de combustible

3.2- Funcionamiento de una pila de combustible

3.3- Tipos de pilas combustible

3.4- Aplicación de la pila de combustible en vehículos eléctricos

3.5- Ventajas del uso de pilas de combustibles frente a baterías convencionales

 


DESARROLLO DEL CONTENIDO


1- Introducción

1.1- Generalidades

Se entiende por pila de combustible a cualquier dispositivo capaz de transformar mediante una reacción química la energía almacenada en un combustible en energía eléctrica que puede ser utilizada para otros usos, como por ejemplo, para hacer funcionar el motor eléctrico de un vehículo.

Las pilas de combustible se encuadran dentro de los dispositivos de tipo electroquímico, porque transforman la energía química de un combustible en energía eléctrica. Este proceso tiene lugar gracias a una reacción química controlada que ocurre en el interior de la pila, y que emplea como reactivos el combustible y un elemento oxidante (generalmente oxígeno), dando lugar a otros productos y a una corriente eléctrica que se evacua a un circuito externo para poder ser empleada para otros fines.

Por tanto, las pilas de combustible realizan la misma función que una batería eléctrica convencional, proporcionar energía eléctrica, con la diferencia que las pilas de combustible se pueden abastecer de una manera continua de los reactivos a partir de una fuente exterior, tanto del combustible como del oxígeno. Este hecho le confiere a las pilas de combustible la capacidad de poder alcanzar una mayor autonomía frente a la que puede ofrecer una batería eléctrica, dado que ésta tiene limitada su capacidad de almacenamiento de energía.

Las pilas de combustible se basan en una tecnología que actualmente está en un proceso de desarrollo. Sin embargo, ya existen aplicaciones prácticas en la automoción para ciertos vehículos eléctricos que funcionan con pilas de combustible, como una alternativa al uso de baterías eléctricas como fuente de suministro de energía.

De todos los combustibles posibles que se pueden utilizar en una pila, es el hidrógeno uno de los más empleado para la fabricación de pilas de combustible con aplicaciones en la automoción. Los llamados vehículos de hidrógeno utilizan este elemento como combustible para hacer funcionar la pila que genera la electricidad para propulsar al vehículo.

El uso de pilas de hidrógeno está plenamente justificado, debido a que es un elemento que abunda en la naturaleza y su reacción con el oxígeno resulta no contaminante, dado que como producto de la reacción se genera vapor de agua, según la siguiente reacción química: H2 + ½ O2 → H2O.

Esquema de aplicación de la pila de combustible en vehículos

 

1.2- Ventajas del uso de las pilas de combustible en automoción

Cada vez más, el transporte y trasiego de materiales supone un factor importante a tener en cuenta en la rentabilidad económica de cualquier actividad, además del gran impacto medioambiental que genera. Por tanto, parece lógico que las sociedades modernas busquen incesantemente nuevas tecnologías aplicadas al transporte que usen fuentes de energía alternativas que sean abundantes, baratas de obtener y que generen el menor impacto medioambiental posible.

En este sentido, una de las opciones tecnológicas futuras con grandes posibilidades para ser aplicadas en la automoción son las pilas de combustible, sobre todo las pilas de hidrógeno, que traen consigo, entre otras, las siguientes ventajas:

El uso del hidrógeno como combustible ofrece innumerables ventajas medioambientales a nivel global, al tratarse de un combustible que al oxidarse no emite CO2 y que además puede ser producido desde fuentes de energías renovables.

Pero el uso del hidrógeno como combustible también ofrece ventajas medioambientales a nivel local, dado que su combustión no emite sustancias dañinas que puedan ser respiradas por las personas del entorno próximo, como son el monóxido de carbono (CO), emisiones de partículas, restos de hidrocarburos no quemados, etc.

Al tratarse el hidrógeno de un elemento muy presente en la naturaleza, ofrece la posibilidad de poder ser obtenido, aplicando la tecnología adecuada, en cualquier lugar del mundo, lo que supone poder suprimir la dependencia energética con terceros países, como ocurre actualmente con el petróleo.

Por tanto, el uso del hidrógeno en las pilas de combustible puede suponer un gran beneficio para la naturaleza. La oxidación del hidrógeno en una pila de combustible no genera emisiones de SO2, ni de hidrocarburos no quemados y, sobre todo, no emite CO2. Por el tubo de escape de un coche que funcione con hidrógeno sólo saldrá vapor de agua.

En otro orden de cosas, sea cual sea la tecnología empleada en la propulsión de vehículos, existen ciertos requisitos mínimos que van a ser exigibles a cualquier tecnología que se aplique, en orden de conseguir que el rendimiento y eficiencia del sistema sea aceptable.

En este sentido, el uso de pilas de combustible permite ofrecer ciertas ventajas respecto de otras tecnologías comúnmente empleadas hasta ahora en los vehículos automóviles, como son las siguientes:

Esquema de un vehículo de hidrógeno

-  El peso y volumen del sistema de propulsión (incluyendo los subsistemas adicionales necesarios) ha de ser bajo. La tecnología basada en las pilas de combustible va vinculada a un motor eléctrico, que implica la eliminación de multitud de componentes móviles propias de un motor de combustión (ya no hace falta la instalación de correas de distribución, cigüeñales, válvulas, pistones...) y tampoco son necesarios muchos de los subsistemas adicionales (circuito de refrigeración, tubos de escape, caja de cambios, sistema de lubricación...). Todo ello implicará simplificar el diseño y, en teoría, mejorar la durabilidad del sistema y abaratar el costo de mantenimiento del vehículo.

-  El tiempo de autonomía de funcionamiento deberá ser largo. En este sentido, las pilas de combustible ofrecen mucha más autonomía que las baterías eléctricas. Esto es así, porque las pilas permiten ser alimentadas por fuentes externas a la propia pila, mediante un depósito de almacenamiento aparte para el combustible, siendo el comburente el oxígeno que puede ser tomado directamente de la atmósfera.

-  La temperatura de operación del sistema no debería ser excesivamente elevada para alargar la vida útil de los materiales. En este sentido, las pilas de hidrógeno funcionan a un régimen de temperatura de funcionamiento alrededor de los 80 ºC. Al ser relativamente baja esta temperatura, los sistemas que funcionan con pilas de combustible son dispositivos que permiten alcanzar rápidamente la temperatura operativa para un funcionamiento estable. Recordemos que son las altas temperaturas que se alcanzan en el interior de un motor de combustión de gasolina o diesel lo que provoca la formación de óxidos de nitrógeno (NOx), que son muy contaminantes.

-  La eficacia energética del sistema deberá ser alta. En este sentido, las pilas de combustible pueden ofrecer una eficiencia por encima del 60%, muy superior al rendimiento energético que ofrecen los motores tradicionales de combustión que apenas alcanzan un 25% debido, entre otras razones, a las pérdidas por rozamiento de sus partes móviles o por el calor desprendido que debe ser eliminado por el sistema de refrigeración y lubricación de los motores.

2- El uso del hidrógeno en las pilas de combustible

2.1- Características químicas del hidrógeno

El hidrógeno es el más sencillo de todos los elementos. A temperatura ambiente es un gas incoloro, inodoro y no tóxico, pero no se encuentra libre en la naturaleza por su gran tendencia a asociarse con otros gases, por lo que para obtenerlo es necesario llevar a cabo un proceso de transformación.

El átomo de hidrógeno (H) está formado sólo por un protón y un electrón. Como no tiene neutrones, que son las partículas sin carga pero con masa que mantienen unidos los protones en el núcleo, es también el elemento más ligero de la tabla periódica de los elementos.

El nombre de hidrógeno proviene de los términos "hidro" (agua) y "génesis" (generador) para hacer referencia a que esta partícula elemental, junto con el oxígeno, generan la molécula de agua. Como el 70% del Planeta Tierra está compuesto por agua, ya da una idea de la abundancia de este elemento en la naturaleza.

A continuación, se incluye un resumen con la información atómica y de las principales propiedades químicas y físicas del hidrógeno para su mejor conocimiento:

Símbolo del hidrógeno

Nombre:  Hidrógeno

Símbolo:  H

Número atómico:  1

Masa atómica:  1,00797 u.m.a.

Grupo del sistema periódico:  Grupo 1

Periodo del sistema periódico:  Periodo 1

Aspecto:  incoloro

Estado (a temperatura ambiente):  gaseoso

Valencia:  1

Estados de oxidación:  +1, -1

Óxido:  Anfótero

Electronegatividad:  2,1

Radio atómico:  0,53 Å

Radio covalente:  0,37 Å

Radio iónico:  2,08 Å

Radio de Van der Waals:  1,20 Å

Estructura cristalina:  Hexagonal

Configuración electrónica:  1s1

Primer potencial de ionización:  13,65 eV

Densidad:  0,0899 kg/m3

Volumen molar:  22,42·10-3 m3/mol

Punto de fusión:  -259,2 ºC

Punto de ebullición:  -252,7 ºC

Punto de inflamabilidad:  -18,15 ºC

Calor específico:  1,4304·104 J/kg·K

Calor de fusión:  0,05868 kJ/mol

Presión de vapor:  209 Pa (a 23 K)

Presión crítica:  1,293·106 Pa

Temperatura crítica:  23,97 K

Conductividad térmica:  0,1815 W/(m·K)

 

2.2- Principales aplicaciones del hidrógeno

Prácticamente casi la mitad del hidrógeno que se produce industrialmente en el mundo es empleado para la elaboración de fertilizantes basados en el amoniaco (NH3).

Otras de las aplicaciones importantes es para la fabricación de metanol, que es un compuesto que se usa para desnaturalizar el alcohol etílico y como aditivo de combustibles líquidos. El hidrógeno también se emplea industrialmente para la elaboración del agua oxigenada, así como para "hidrogenar" los aceites orgánicos comestibles derivados de la soja, los cereales y el pescado.

Debido a su conductividad térmica y su baja viscosidad, el hidrógeno también se está empleando actualmente como una alternativa tecnológica para la refrigeración de motores y de generadores eléctricos.

Por otro lado, la industria petroquímica lleva ya mucho tiempo empleando el hidrógeno como componente indispensable de una amplia gama de productos derivados del petróleo, así como para reducir la emisión de las cantidades de partículas, aromáticos y sobre todo azufre presentes en la gasolina y el gasóleo.

Con la reciente aparición de las pilas de combustible y su aplicación en el sector de la automoción, la utilización del hidrógeno también como combustible abre a la industria global las puertas de un nuevo mercado, donde es muy seguro, que el hidrógeno, como combustible alternativo, ocupará un lugar privilegiado.

 

2.3- Procedimientos actuales para la obtención de hidrógeno

Por sus propiedades químicas, el hidrógeno es un elemento del que se puede obtener mucha energía para ser empleado en pilas de combustible. No obstante, para su obtención debe ser transformado, dado que, a pesar de su abundancia, no se presenta libre en la naturaleza, sino que se encuentra siempre formando compuestos con otros elementos. Esto es debido porque el hidrógeno es un elemento químico que tiene una gran tendencia a reaccionar siempre con otros elementos para formar otras sustancias.

De entre las sustancias más abundantes del planeta que contiene hidrógeno está el agua (H2O), la gran reserva de hidrógeno del planeta. El proceso para romper la molécula del agua y obtener hidrógeno puro se llama electrólisis. Mediante este proceso se produce la descomposición del agua obteniéndose oxígeno (O2) e hidrógeno (H2) en forma de gases, por medio de la acción de una corriente eléctrica continua suministrada por una fuente de alimentación. Aunque la electrólisis es un proceso muy conocido y sencillo de aplicar, sólo un 4% del hidrógeno que se consume hoy en día se produce a partir del agua.

Con el estado actual de la tecnología, la opción más barata de producir hidrógeno es a partir de gas natural mediante el reformado con vapor. Este procedimiento consiste en romper las moléculas de gas con vapor de agua en presencia de un catalizador. Es el método más utilizado actualmente, y de hecho, casi el 50% del hidrógeno que se produce hoy en día, se obtiene de esta manera. Como además es la opción menos contaminante de obtener hidrógeno a partir de combustibles fósiles empleando la tecnología actual, el gas natural aparece muy bien posicionado para liderar la producción de hidrógeno en un futuro inmediato.

Otra forma muy utilizada actualmente para obtener hidrógeno es mediante la gasificación de carbón. De hecho, casi el 20% de la producción mundial de hidrógeno se obtiene mediante este método. En lugares donde abunde el carbón, puede suponer una gran alternativa para la producción de hidrógeno. Este procedimiento consiste en convertir el carbón sólido calentándolo hasta unos 900ºC en gas (compuesto fundamentalmente por CO e H2). Es la forma más antigua de producir hidrógeno (así es como se obtenía el llamado gas ciudad, que contenía hasta un 60% de hidrógeno).

En general, el reformado de todos los hidrocarburos y alcoholes permitiría obtener hidrógeno. De hecho, casi el 30% del hidrógeno que se consume en el mundo procede de la gasolina. Evidentemente, generar hidrógeno a partir de fuentes fósiles no parece ser una alternativa renovable, sostenible y ecológica, dado que al menos en su elaboración se emitirán gases de efecto invernadero, como el CO2, por lo que estas formas de obtención deben ser tecnologías de transición hacia otras nuevas técnicas de obtener hidrógeno más ecológicas y de menos impacto medioambiental, como se verá en el apartado siguiente.

En resumen, además del agua, el hidrógeno puede ser obtenido de otros muchos compuestos químicos, como del gas natural, del carbón, de los hidrocarburos o los alcoholes. El hidrógeno es un elemento químico que forma parte de toda la materia orgánica. Hay hidrógeno, por tanto, en toda la biomasa del planeta y el biogás. Para su obtención sólo será necesario romper, mediante el empleo de diferentes tecnologías, los enlaces de las moléculas que lo contienen para liberar el hidrógeno.

Es por ello, que una de las principales ventajas de emplear el hidrógeno como combustible es que puede obtenerse prácticamente de cualquier parte, por lo que permitiría la independencia energética de los países. Sólo el desarrollo de nuevas tecnologías en este campo permitirá crear procedimientos de producción de hidrógeno a gran escala que sean del menor impacto medioambiental posible y económicamente viables.

 

2.4- Alternativas para la producción de hidrógeno en el futuro

Prácticamente, casi todos los expertos en la materia predicen que el hidrógeno se producirá en el futuro a partir del agua, empleando electricidad que tenga un origen renovable. Es una postura lógica, porque combina la abundancia de la materia prima con un proceso sencillo (electrólisis) que puede utilizar electricidad producida a partir de energías renovables (solar, eólica...).

Una variante del proceso de la electrólisis para producir hidrógeno a gran escala que se está desarrollando actualmente es la fotoelectrólisis, que básicamente consiste en sumergir en el agua una célula fotovoltaica fabricada con un material semiconductor que hace las veces de agente electrolizador. Con esta nueva técnica se logra combinar en una sola fase los dos pasos de la electrólisis tradicional, de manera que se consigue reducir costes de producción y elevar la eficiencia energética del proceso.

No obstante, dado que el problema principal de la electrólisis es que requiere un aporte considerable de electricidad, hace que actualmente se estén investigando otras alternativas que sean sostenibles, ecológicas y viables económicamente para la producción de hidrógeno a escala industrial.

Una de estas alternativas que se está desarrollando actualmente es proceder a la gasificación de biomasa para la obtención de hidrógeno. Aunque es un proceso algo más costoso que el reformado de gas, puede resultar rentable en aquellas zonas donde la biomasa sea abundante y barata de obtener. También se están desarrollando diferentes procedimientos para el tratamiento de las "versiones bios" de los hidrocarburos y alcoholes (biodiesel, biogás y bioetanol, principalmente) para la obtención de hidrógeno.

Otra línea de investigación que se está siguiendo es un tipo de tecnología basada en el uso de energía térmica de alta temperatura. En este campo, es la industria nuclear la que puede presentarse como una alternativa seria para la obtención de hidrógeno a gran escala. De hecho, la industria nuclear ya trabaja en el desarrollo de nuevos reactores de alta temperatura, para poder llevar a cabo en ellos lo que se conoce como hidrólisis térmica.

Efectivamente, para que se lleve a cabo la hidrólisis, es decir, la rotura de la molécula de agua para obtener hidrógeno y oxígeno, haciendo uso del calor como única fuente de energía, harían falta alcanzar temperaturas de al menos 2.000 ºC para que el proceso tuviera lugar. Estos niveles de temperatura son difíciles de alcanzar empleando sólo fuentes de energías renovables, como la energía solar, y además resultarían procesos muy costosos y difíciles de manejar. Sin embargo, insertando una cadena de reacciones intermedias, la temperatura para generar hidrólisis se podría rebajar a unos 850 ºC, que es un nivel de temperatura que ya resultaría mucho más viable económicamente de alcanzar.

Continuamente siguen surgiendo nuevas investigaciones que desarrollan tecnologías que están permitiendo obtener hidrógeno, y que van desde la producción biológica por medio de microorganismos hasta la llamada electrólisis gravitacional, pero de momento los resultados obtenidos son puramente teóricos, y sin una aplicación práctica inmediata.

3- Estudio de las pilas de combustible

3.1- Definición de pila de combustible

Una pila de combustible es un dispositivo capaz de transformar la energía química almacenada en un combustible en energía eléctrica, a partir de una serie de reacciones químicas.

En realidad, las pilas de combustible son dispositivos de tipo electroquímico, que transforma la energía química del combustible en energía eléctrica. En el interior de la pila se lleva a cabo una reacción química controlada que emplea como reactivos un combustible y un elemento oxidante (generalmente oxígeno), dando lugar a otros productos y a una corriente eléctrica que se evacua a un circuito externo.

Uno de los reactivos de la pila es, por tanto, el combustible que generalmente se encuentra almacenado en un recipiente aparte de la pila. Desde este lugar de almacenamiento exterior es suministrado hasta la propia pila, de manera que, siempre que haya suministro de combustible, la pila podrá funcionar y será capaz de suministrar energía eléctrica de forma continua. El tipo de combustible habitualmente empleado es el hidrógeno que, bien suministrado de forma directa o a partir del reformado de un primer combustible (metanol o etanol, por ejemplo), alimentará a la pila.

El otro de los reactivos de la pila es siempre el oxígeno, que actúa como elemento oxidante en el cátodo y que, dada su disponibilidad en el aire, generalmente no va a ser necesario tener que almacenarlo, sino que se podrá captar directamente desde la atmósfera exterior.

 

3.2- Funcionamiento de una pila de combustible

Antes de entrar en detalle de cómo funciona una pila de combustible, hay que destacar la importancia de ciertos elementos que son de vital importancia para que el proceso que tiene lugar en una pila se lleve a cabo de una manera factible. Estos elementos son los catalizadores, que son ciertas sustancias que facilitan y aceleran las reacciones químicas que tiene lugar en las pilas de combustible.

Los tipos de catalizadores que son los válidos para ser empleados en las pilas de combustible son muy escasos y caros, ya que contienen cierto contenido de platino, elemento poco abundante en la naturaleza, por lo que hacen que actualmente el precio de fabricación de las pilas de combustible resulte muy caro, siendo éste uno de los aspectos que los investigadores en este área intentan resolver.

La mayoría de las pilas de combustible son, en realidad, una suma de pilas individuales, que reciben el nombre de células o celdas de combustible (fuel cell, en inglés). Cada una de estas celdas consta de dos electrodos, ánodo (-) y cátodo (+) que contienen un cierto contenido de platino como catalizador, separados ambos electrodos por un electrolito sólido o líquido.

Celda de una pila de combustible

En el electrodo negativo (ánodo) tiene lugar la oxidación del combustible (normalmente hidrógeno, aunque también hay pilas que utilizan metanol u otros) y en el electrodo positivo (cátodo) se produce la reducción del oxígeno del aire, según las siguientes reacciones químicas que tiene lugar:

Reacción en el ánodo:  2H2 → 4H+ + 4e-

Reacción en el cátodo:  O2 + 4H+ + 4e- → 2 H2O

La celda de una pila de combustible consiste pues, en un ánodo en el que se inyecta el combustible (hidrógeno) y un cátodo en el que se introduce un oxidante (aire u oxígeno). Los dos electrodos de una pila de combustible están separados por un electrolito iónico conductor.

El hidrógeno penetra por el ánodo y en presencia de un catalizador se disocia en los iones positivos (protones) y electrones. El oxígeno del aire penetra por el cátodo y se disocia en iones negativos, también en presencia del catalizador. Los iones de hidrógeno migran a través del electrolito mientras que los electrones circulan a través del circuito externo. Este flujo de electrones es la corriente eléctrica que genera la pila, y que es la empleada en los vehículos eléctricos para el accionamiento del motor eléctrico del coche.

Una vez atravesado el circuito, los electrones llegan hasta el cátodo, donde se combinan con los protones y el oxígeno del aire para formar agua. Es decir, de esta forma en el cátodo vuelven a recombinarse para producirse agua como producto final de la reacción, además de una cantidad importante de energía térmica.

Generalmente, el conjunto de cada celda de la pila formado por el electrolito y los dos electrodos (Membrane Electrodo Assembly, MEA) está comprimido entre dos placas (plates) que hacen la función de protección, además de canalizar y distribuir los gases en los electrodos, conduciendo los electrones y facilitando la interconexión en serie de las distintas células que conforman la pila. Así, el conjunto de células conectadas en serie por medio de estas placas bipolares (bipolar plates) constituyen la pila de combustible (stack), en cuyos extremos se sitúan dos placas terminales (end plates), que actúan como terminales eléctricos de la pila.

Para conseguir un diseño totalmente sostenible y renovable, la pila de combustible debe usar hidrógeno puro como combustible. Existen en el mercado pilas que utilizan combustibles ricos en hidrógeno, es decir, que el hidrógeno se encuentra mezclado con otros componentes que posteriormente han de desecharse durante el funcionamiento de la pila. Luego para que no existan emisiones, el hidrógeno empleado como combustible de una pila debería proceder exclusivamente de fuentes renovables.

 

3.3- Tipos de pilas combustible

Aunque el funcionamiento de todas las pilas de combustible responde al mismo principio fundamental visto en el apartado anterior, en la actualidad se fabrican pilas con diferencias de su diseño, características de operación y potencia suministrada. Así, se pueden encontrar en el mercado pilas desde potencias de tan sólo 1 W que funcionan a temperatura ambiente, hasta pilas constituidas por módulos de 250 kW que operan a 1.000 ºC de temperatura.

La clasificación habitual de las pilas de combustible está basada en el tipo de electrolito que utilizan, ya que éste va a determinar las características fundamentales de la pila, y, en consecuencia, sus posibles campos de aplicación.

En la tabla siguiente se muestra una clasificación resumida de los principales tipos de pilas de combustible que se emplean en la actualidad:

Tabla 1.  Tipos de pilas de combustible

Tipo

Electrolito(1)

Ión de Transporte(2)

Temperatura de Operación (ºC)

Eficiencia
de la pila

Principales usos

Pila de Membrana polimérica (PEM)

Polímero sólido

H+

60 - 100

40% (85% si el vapor se usa en cogeneración)

Cogeneración en edificios, portátiles, automoción

Pila de combustible Alcalina (AFC)

Solución acuosa de KOH

OH-

90 - 100

55%

Industria aeroespacial, militar

Pila de Ácido fosfórico (PAFC)

H3PO4 líquido

H+

175 - 200

40%

Cogeneración en edificios, portátiles

Pila de Carbonatos fundidos (MFCF)

Solución líquida de LiKCO3

CO32-

600 - 1000

60%

Alta potencia en centrales eléctricas

Pila de Óxidos sólidos (SOFC)

Y-ZrO2

O2-

600 - 1000

60% (75% con cogeneración)

Generación eléctrica a gran escala


(1) La membrana más utilizada en el tipo PEM es el nafión; KOH: hidróxido de potasio (potasa); H3PO4: ácido (orto)fosfórico; LiKCO3: carbonatos de litio y potasio, aunque son posibles otras combinaciones de carbonatos alcalinos; Y-ZrO2: óxido de zirconio (zirconia) estabilizado con una pequeña cantidad de itrio; un material cerámico.

(2) Ion que se desplaza de un electrodo a otro. En las de los tipos PEM y PAFC las cargas positivas que se han formado en el ánodo se desplazan hasta el cátodo, donde reaccionan con el oxígeno; en el resto de los tipos ocurre lo contrario: son los iones negativos los que atraviesan el electrolito para combinarse con el hidrógeno.

Las pilas tipo PEM son las que ofrecen mayor flexibilidad y versatilidad para ser empleadas en el sector del transporte. Sus aplicaciones van desde la alimentación de pequeños aparatos portátiles, como radios y ordenadores, con potencias de 1 a 100 W, hasta sistemas de generación doméstica (1 a 5 kW) o residencial (200 kW), pasando, como se ha dicho, por la alimentación del motor de los vehículos eléctricos.

Las pilas tipo MCFC (Pila de Combustible de Carbonatos Fundidos) y SOFC (Pila de Combustible de Óxidos Sólidos) tienen por delante un enorme futuro como generadores de electricidad o de electricidad y calor, aunque su nivel de desarrollo actual todavía es mucho menor.

 

3.4- Aplicación de la pila de combustible en vehículos eléctricos

Como se ha mostrado en este tutorial, las pilas de combustible están diseñadas para poder ser empleadas en los vehículos eléctricos puros, como una forma alternativa para producir la electricidad que posteriormente será consumida por el motor eléctrico del coche.

De entre los distintos tipos de pilas de combustibles existentes, para un vehículo de hidrógeno la mejor pila a emplear sería el tipo PEM.

La mayoría de las grandes marcas de automóviles están desarrollado modelos de vehículos que funcionan con pilas de combustible, principalmente pilas de hidrógeno. Estos vehículos de hidrógeno utilizan, según el modelo, diversos sistemas de almacenamiento del combustible (en forma de hidrógeno gaseoso, líquido e incluso combinado en hidruros metálicos).

Las pilas de combustible tipo PEM, además de por su tamaño y por ofrecer una buena relación potencia/volumen, funcionan a una baja temperatura de operación, lo que permite que el vehículo arranque rápidamente y pueda responder de forma inmediata a las variaciones de demanda energética del motor, habituales durante la conducción.

En la actualidad se está aplicando cada vez más el uso de pilas de combustible en vehículos de gran tamaño, como camiones y autobuses. En este tipo de vehículos se puede almacenar mucha más cantidad de hidrógeno en volumen, sin que esto suponga un gran incremento de peso respecto de la masa total del vehículo.

En los vehículos ligeros, como turismos, esto resulta más difícil de conseguir, dado que, por ejemplo, a 200-350 bares de presión, 1 kg de hidrógeno ocupa aproximadamente un volumen de 60 litros. Y si se quisiera almacenar el hidrógeno a la presión atmosférica, para almacenar 1 kg de hidrógeno se necesitaría un depósito con un volumen de 11.000 litros de capacidad. En consecuencia, la mayor exigencia de espacio para almacenar una misma cantidad de hidrógeno a menor presión, es lo que limita en la actualidad el uso de las pilas de hidrógeno en los vehículos pequeños.

No obstante, en la actualidad se están desarrollando nuevos sistemas de almacenamiento de hidrógeno para vehículos que permiten alcanzar presiones de uso de más de 250 bares con total seguridad, de manera que hace posible almacenar una mayor cantidad de hidrógeno, aumentando la autonomía del vehículo.

En definitiva, lo ventajoso que puede aportar el uso de esta tecnología en automoción es la gran eficiencia energética que ofrecen las pilas de combustible. Esto permite a los vehículos poder recorrer más distancia empleando una menor cantidad de combustible que un vehículo tradicional con motor de combustión. De hecho, pruebas realizadas con vehículos reales propulsados con hidrógeno han demostrado que 1 kg de hidrógeno proporciona la energía suficiente para recorrer entre 100-150 km en un vehículo ligero, tipo turismo, de lo que se deduce que, a igualdad de masa, el hidrógeno resulta insuperable frente a otro combustible.

Además, como la tracción en los vehículos con pila de combustible es eléctrica, en este sentido, los vehículos de hidrógeno son como los coches eléctricos puros: silenciosos, ofrecen un par elevado a bajas revoluciones, tienen un rendimiento energético muy elevado, generan emisiones locales bajas o nulas, alta fiabilidad del vehículo, entre otras ventajas.


 

3.5- Ventajas del uso de pilas de combustibles frente a baterías convencionales

Uno de los aspectos que hace más atractivo el uso de las pilas de combustible en la automoción es el modo de repostar combustible en el vehículo. En este sentido, los vehículos de pila de combustible se asemejan mucho en su forma de repostar a la de los vehículos tradicionales con motor de combustión, sobre todo en tiempo.

De hecho, la recarga del combustible en los vehículos de pila se puede realizar en muy poco tiempo, aspecto que constituye una ventaja frente a los actuales vehículos eléctricos, que todavía necesitan de mucho más tiempo para llevar a cabo la recarga de las baterías.

Actualmente, en muchos países se está llevando a cabo la construcción de infraestructuras o puntos de suministro de hidrógeno (comúnmente conocido como hidrogeneras) que permiten el suministro de hidrógeno para el funcionamiento de los vehículos con pila de combustible.

En cuanto a la autonomía que proporciona un vehículo que funciona con pilas de combustible, hay que decir que es muy superior al de las baterías eléctricas actuales que se emplean en los vehículos 100% eléctricos, a igualdad de tamaño y peso del vehículo, lo que constituye un aspecto importante a tener en cuenta a la hora de decantarse por un vehículo que emplee esta tecnología.

Pruebas realizadas en carretera con vehículos de hidrógeno han dado como resultado que 1 kg de hidrógeno es combustible suficiente para recorrer una distancia de entre 100-150 km para vehículos ligeros, tipo turismo. Este tipo de pruebas realizadas con vehículos pone de manifiesto que, a igualdad de masa, el hidrógeno es mucho más eficiente y proporciona más autonomía que las baterías eléctricas convencionales.

Otro aspecto a tener en cuenta en los vehículos de hidrógeno es el de la seguridad. En entornos abiertos, el hidrógeno es un elemento muy seguro, dado que, en caso de fuga no genera un riesgo de explosión y es un gas que desaparece con rapidez en el ambiente.

 

 

>> FIN DEL TUTORIAL

 

 

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