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P: Durante un apagón reciente, mi vecino y yo discutimos la idea de fuentes de energía alternativas. Además de la energía solar y eólica, mencionó las pilas de combustible, de las que no había oído hablar mucho. ¿Qué es una celda de combustible, cómo se usa y en qué se diferencia de otras fuentes de energía?
A: Una celda de combustible crea electricidad a través de un proceso que transforma la energía creada a partir de una reacción química entre un combustible (generalmente hidrógeno) y un agente oxidante (generalmente oxígeno). Aunque las celdas de combustible no se usan tan ampliamente como las fuentes de generación de energía más tradicionales, como los combustibles fósiles o las baterías de iones de litio, tienen una amplia gama de aplicaciones. Aunque no necesitan recargarse como las baterías, sí necesitan un suministro de combustible para producir electricidad.
En el transporte, las celdas de combustible impulsan automóviles, camiones, trenes e incluso submarinos. También los encontrará sirviendo como fuentes de energía primaria para edificios residenciales y comerciales en áreas rurales que están fuera de la red. Los hospitales, los centros de datos e incluso las tiendas de comestibles los utilizan como soluciones de generación de energía de respaldo, lo que garantiza que las empresas tengan electricidad en caso de un corte de energía.
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¿Qué es una pila de combustible?
A diferencia de una batería de iones de litio, que almacena energía, una celda de combustible crea energía química a través de una reacción electroquímica entre el combustible (generalmente hidrógeno) y el oxígeno del aire circundante. Cuando los átomos de hidrógeno y oxígeno se combinan, la reacción libera una gran cantidad de energía. De hecho, la reacción química entre los dos elementos es tan poderosa que puede enviar cohetes al espacio.
Cuando esta energía se dirige a través de una celda de combustible (en lugar de usarse para crear una explosión), la reacción genera electricidad y calor. Cuando la reacción química es lo suficientemente grande, puede producir suficiente electricidad para mover un vehículo o proporcionar energía a un edificio.
¿Cómo funciona una pila de combustible?
Las celdas de combustible utilizan cuatro partes básicas para generar energía: el ánodo, el cátodo, el electrolito y el catalizador. En una celda de combustible de hidrógeno, el tipo más común, los átomos de hidrógeno ingresan a la celda de combustible en el ánodo. Una vez dentro del ánodo, un catalizador, generalmente de platino, separa las moléculas de hidrógeno en electrones y protones.
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Luego, los electrones son forzados a través de un circuito, creando electricidad que puede alimentar un automóvil eléctrico, un hospital o un edificio de apartamentos. Después de salir del circuito, los electrones llegan al cátodo, donde se reúnen con los protones y se combinan con el oxígeno para crear los subproductos de agua y calor de la reacción.
¿Cuáles son los beneficios de las pilas de combustible?
Las celdas de combustible tienen varios beneficios sorprendentes. No queman combustibles fósiles, no producen contaminación y obtienen el doble de kilometraje que los automóviles que funcionan con baterías. (Debemos tener en cuenta que el proceso de creación del hidrógeno necesario para las celdas de combustible no es 100 por ciento limpio, pero es comparable a las emisiones de las baterías de iones de litio y mucho más limpio que la quema de combustibles fósiles). Mientras que las baterías de iones de litio tardan horas en recargarse, puede recargar un tanque de hidrógeno en 5 minutos o menos, similar al tiempo necesario para llenar un tanque de gasolina con combustible sin plomo.
Dados estos beneficios, ¿por qué vemos tantos Teslas que funcionan con baterías en la carretera y tan pocos autos de hidrógeno? Muchos estados no han invertido en estaciones de servicio de hidrógeno porque su construcción es muy costosa. Cuesta casi 2 millones de dólares construir una estación de servicio de hidrógeno. Como tal, actualmente hay menos de 70 estaciones de servicio de hidrógeno en el país, casi todas en California. En comparación, puede cargar un automóvil alimentado por una batería de iones de litio enchufándolo a una toma de corriente estándar en su hogar.
Las celdas de combustible ven un uso más generalizado como fuentes de energía estacionarias. Son mucho más eficientes que las centrales eléctricas tradicionales que queman combustibles fósiles. Según el Departamento de Energía de EE. UU., los sistemas de celdas de combustible pueden generar electricidad con eficiencias de hasta el 60 por ciento, mucho más que el 33 a 35 por ciento de eficiencia de una planta de energía tradicional.
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7 tipos de celdas de combustible que debe conocer
Si bien la membrana electrolítica de polímero (PEM) puede ser la más común entre los tipos de celdas de combustible, hay otros seis ejemplos de celdas de combustible que allanaron el camino para la tecnología actual de celdas de combustible, que están actualmente en uso o en desarrollo:
- Membrana de electrolito de polímero (PEM): El tipo más común de celda de combustible es más pequeña y liviana que otras celdas de combustible. Las celdas de combustible PEM, que funcionan con hidrógeno, agua y oxígeno, son livianas en comparación con otras celdas de combustible y funcionan a una temperatura máxima relativamente baja de aproximadamente 176 grados Fahrenheit. Con estas características, las pilas de combustible de hidrógeno son la opción ideal para los vehículos eléctricos de pila de combustible.
- Metanol directo: En lugar de utilizar hidrógeno como fuente de combustible, este tipo de pila de combustible utiliza metanol mezclado con agua. El metanol tiene una densidad de energía más alta que el hidrógeno y es un líquido, lo que lo hace más fácil de transportar mientras le da al usuario más energía con una cantidad menor de combustible. Como tal, las celdas de combustible de metanol directo son ideales para dispositivos electrónicos portátiles, como teléfonos celulares y computadoras portátiles.
- Alcalino (AFC): Una de las primeras tecnologías de celdas de combustible, los AFC se han utilizado para proporcionar gran parte de la energía para los sistemas a bordo de las naves espaciales de la NASA durante más de medio siglo. Sin embargo, dado que la exposición al dióxido de carbono puede afectar negativamente el rendimiento de un AFC, este tipo de celda de combustible no se usa tanto en el planeta Tierra.
- Óxido Sólido: Las celdas de combustible de óxido sólido utilizan un compuesto cerámico para generar electricidad. Si bien tienen una eficiencia del 60 por ciento en la conversión de energía en electricidad, que es comparativamente más alta que otros tipos de celdas de combustible, funcionan a temperaturas que pueden eclipsar los 1.800 grados Fahrenheit. Como tales, requieren una importante protección contra el calor para proteger a las personas y los materiales que los rodean. Si bien esto hace que el óxido sólido sea adecuado como generadores de respaldo para centros de datos y otros edificios sensibles, el óxido sólido no es una opción para vehículos o dispositivos electrónicos más pequeños.
- Ácido fosfórico: Este tipo de pila de combustible utiliza ácido fosfórico como catalizador con electrodos de carbono que contienen un catalizador de platino. El fósforo no es particularmente eficiente en la creación de electricidad, con un índice de eficiencia de entre el 37 y el 42 por ciento. Como resultado, los fabricantes de estas celdas de combustible de ácido fosfórico lo compensan construyéndolas más grandes que otros tipos de celdas de combustible. Su tamaño voluminoso limita este tipo de celda de combustible para su uso principalmente como fuente de energía estacionaria.
- Carbonato fundido: Este tipo de celda de combustible utiliza un electrolito que consiste en una mezcla de sal de carbonato fundido con metal como catalizador. Tienen un alto índice de eficiencia del 65 por ciento y no requieren un metal precioso como catalizador y, por lo tanto, son celdas de combustible rentables. Con estas características, las celdas de combustible de carbonato fundido son buenas opciones para las empresas de servicios públicos. Sin embargo, dado que operan a altas temperaturas, sus componentes se degradan más rápidamente, lo que les otorga una vida útil más corta que otras celdas de combustible.
- Reversible: Este tipo de celda de combustible funciona como una celda de combustible PEM al convertir la reacción entre el oxígeno y el hidrógeno en energía. Cuando se combinan con energía solar y eólica, las celdas de combustible reversibles pueden usar el exceso de energía creado en días soleados o ventosos para dividir el agua, el subproducto de una celda de combustible PEM, en oxígeno e hidrógeno, creando así su propio combustible. Mientras aún están en desarrollo, las celdas de combustible reversibles presentan un recurso de energía verdaderamente renovable.
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