Pilas de combustible para aplicaciones de transporte: Evolución tecnológica y perspectivas

Las pilas de combustible son dispositivos electroquímicos capaces de convertir de forma directa la energía química almacenada en un combustible, en electricidad, calor y agua.

[Autora: Carmen García Gonzalo-INTA]

Las pilas de combustible son dispositivos electroquímicos capaces de convertir de forma directa la energía química almacenada en un combustible, en electricidad, calor y agua. Esta transformación utiliza directamente la energía libre disponible en el combustible a su temperatura de operación y no está limitada por el ciclo de Carnot, alcanzándose en la práctica valores entre el 40% o 60%, consiguiendo así un mejor aprovechamiento de los combustibles.

El uso de pilas de combustible es poco contaminante ya que reduce las emisiones de dióxido de carbono (debido a la mejora de rendimiento) y además presenta una reducción drástica de emisiones de otros contaminantes (CO, óxidos de nitrógeno, partículas, etc.). Son modulares y  silenciosas, no producen ruido ni vibraciones, y versátiles en cuanto al combustible utilizado.

Generalmente el combustible utilizado es el hidrógeno, que puede obtenerse a través de la electrólisis del agua mediante energías renovables o partir de biocombustibles, hidrocarburos o alcoholes mediante un proceso de reformado. El comburente u oxidante es siempre el oxígeno, a veces puro y casi siempre mezclado con nitrógeno (aire).

En los procesos convencionales, la energía química del combustible se transforma en primer lugar en energía térmica de un fluido, posteriormente en energía mecánica de un eje (turbina o motor) y finalmente en energía eléctrica. En las pilas, se pasa directamente de energía química a eléctrica sin las conversiones intermedias de energía térmica y mecánica. Además, el combustible y oxidante no reaccionan en un proceso rápido de combustión sino que reaccionan por etapas en electrodos separados, cátodo y ánodo. Un electrolito separa estos dos electrodos y la velocidad de reacción queda limitada por el tiempo que tardan las especies en difundirse entre los electrodos a través del electrolito y por la cinética de la reacción.

Aunque una pila de combustible tiene componentes y características similares a los de una batería típica, se diferencian en algunos aspectos. En una batería, la máxima energía disponible esta determinada por la cantidad de reactante químico almacenado dentro de la propia batería, por lo que ésta dejará de producir energía eléctrica cuando se consuman los reactantes químicos, es decir, cuando se descargue. Estos reactantes se pueden regenerar cuando la tecnología es recargable, lo cual supone introducir energía en la misma, mediante una fuente externa. A diferencia de las baterías, que son un dispositivo de almacenamiento de energía, las pilas de combustible no se agotan ni requieren recarga, sino que producen energía en forma de electricidad y calor mientras se les suministre combustible. Por tanto, son dispositivos de conversión de energía que teóricamente tienen la capacidad de producir energía eléctrica indefinidamente mientras se les suministre combustible y oxidante a los electrodos. No obstante, en la práctica, la degradación, corrosión, o mal funcionamiento de los componentes, limitan la vida práctica de operación de las mismas.

Se esta realizando un importante esfuerzo en I+D en el ámbito de las pilas de combustible. Siendo la reducción de costes y el incremento de fiabilidad de los equipos los principales objetivos. Actualmente la tecnología de membrana de intercambio protónico (PEMFC), es una de las más desarrolladas dentro del campo de las pilas de combustible. Estas pilas pueden operar a relativamente bajas temperaturas (por debajo de 100⁰ C), tienen una densidad de potencia alta, pueden variar su potencia de salida rápidamente para satisfacer cambios en la demanda de carga y son adecuadas para aplicaciones donde se requiere una demanda inicial rápida, como en el caso de las aplicaciones de transporte.

El electrolito en esta pila es una membrana de intercambio iónico (polímero de ácido sulfónico fluorado y otros polímeros similares) que es un excelente conductor de protones, en la actualidad fundamentalmente, se utiliza la membrana de Nafion® (DuPont). El único líquido en esta pila es agua; de este modo, los problemas de corrosión son mínimos. Los electrodos, ánodo y cátodo, son porosos para facilitar la difusión de los gases hacia zonas activas donde se encuentra el catalizador disperso soportado sobre carbón, este material catalizador esta basado en el platino y otras aleaciones metálicas. Aunque el catalizador más usado es el platino ya que se logra una mayor eficiencia, se están realizando esfuerzos a nivel de investigación y desarrollo para lograr disminuir el contenido de este catalizador con objeto de disminuir los costes globales de esta tecnología. A este respecto, cabe indicar que la carga de Pt ha disminuido desde un contenido de 1mg Pt/cm²  a  0.2 mg Pt/ cm² entre los años 2000 y 2010.

A continuación, se muestra un gráfico en el que se refleja la disminución del contenido de Pt en esta tecnología en función de los años.

 Comparativa anual del contenido total de Pt en stacks de pila de combustible (PEM)

Fuente: DoE (USA)

En términos de componentes, hay tres principales áreas en las que se concentra la investigación y el desarrollo, como son: el apilamiento de celdas en el stack, el procesado de combustible y el sistema de acondicionamiento de potencia.

En relación al stack, las pilas de baja temperatura, particularmente la tecnología PEMFC, necesitan reducir costes, disminuir la cantidad de platino como catalizador, y optimizar el stack para la operación con combustibles reformados, así como, desarrollar membranas de alta temperatura, que reduzcan la carga del Pt como catalizador ya que con la temperatura, la cinética de reacción aumenta y se evita la presencia de agua en fase líquida formada en el cátodo con la consiguiente reducción de pérdidas por transferencia de masa, lo cual permitirá la operación en condiciones más favorables respecto a la eficiencia y tolerancia al monóxido de carbono.

Cuando la pila no se alimenta directamente con hidrógeno puro, el procesado del combustible utilizado, fundamentalmente se realiza a través de un proceso de reformado del mismo, siendo este un elemento crítico en esta tecnología, ya que representa un componente decisivo del coste total del sistema y tiene una influencia muy importante sobre su eficiencia. Los combustibles principales utilizados son el gas natural y el metanol, pero para acceder a otros segmentos de mercado como es el trasporte, se necesita además la posibilidad de utilizar otros combustibles como la gasolina y el gasóleo. Se requiere además desarrollar sistemas de bajo coste, fiables, y que puedan ser fácilmente integrados.

Los avances en la electrónica del acondicionador de potencia, a su vez, beneficiarán a las pilas  a través de la disminución de pérdidas y la reducción de costes de los conversores de potencia.

La mayor parte de la investigación que se está llevando a cabo en este tipo de componentes por diferentes centros de investigación y compañías privadas de todo el mundo, fundamentalmente de la industria del automóvil, tienen como principal aplicación el área del transporte, tratando de convertir la ineficiente y altamente contaminante industria actual del petróleo en una mucho más sostenible y a la vez respetuosa con el medio ambiente. Con este tipo de planteamiento las pilas de combustible pueden jugar un papel muy importante debido a que son capaces de proporcionar una potencia eléctrica libre de contaminantes, con un alto rendimiento y de una manera silenciosa. De igual modo, la utilización de las pilas de combustible conjuntamente con el hidrógeno resulta más eficiente que la utilización del hidrógeno en motores de combustión interna similares a los actuales.

La tecnología de pila de combustible de membrana polimérica PEMFC es, la que más esfuerzo en inversiones está recibiendo a nivel internacional. Sin embargo, existen una serie de dificultades técnicas y económicas que es necesario resolver antes de su comercialización masiva como son la disminución de costes, el incremento de la durabilidad y la mejora de las prestaciones específicas. El otro gran problema de las pilas PEMFC está relacionado con la infraestructura necesaria para la producción y almacenamiento del hidrógeno.

A nivel internacional, los principales polos de desarrollo se encuentran en Norteamérica, Japón y Europa. La tendencia parece indicar que Norteamérica –EEUU y Canadá- están más avanzados en el desarrollo de pilas y sistemas para automoción y aplicaciones estacionarias (generación distribuida), y Japón en el desarrollo de pilas para aplicaciones portátiles y de microelectrónica (teléfonos móviles, PDAs, ordenadores portátiles).