Pilas de combustible de membrana de intercambio aniónico

Una de las definiciones más aceptadas de Desarrollo Sostenible es la de la Comisión Mundial sobre Medio Ambiente y Desarrollo (Comisión Brundtland), que en 1987 lo definió como el desarrollo que asegura las necesidades del presente sin comprometer la capacidad de las futuras generaciones para enfrentarse a sus propias necesidades. Con el fin de alcanzar un desarrollo sostenible será necesario, entre otras cosas, reducir la dependencia actual de los combustibles fósiles, por varios motivos: por un lado, la escasez de estos debido a que son fuentes de energía no renovables, y por otro, la distribución heterogénea de las Reservas Probadas. Estos motivos entre otros hace necesaria la búsqueda de fuentes alternativas de energía.

Autores: [P. Hernández-Fernández, P. Ocón-Universidad Autónoma de Madrid]

Otro problema que se deriva del uso de combustibles fósiles son las emisiones incontroladas y crecientes de gases de efecto invernadero, especialmente CO2, las cuales tienen un gran impacto ambiental. Con el fin de controlar dicho efecto se formuló en 1997 el Protocolo de Kioto, el cual pretende reducir globalmente las emisiones de efecto invernadero en un 5.2% respecto a las de 1990 (año de referencia) para el periodo 2008-2012. En este sentido, la Unión Europea deberá reducir sus emisiones globales un 8% respecto a las de 1990, y España podrá aumentarlas como máximo un 15%. En el año 2002 España superó esos requerimientos en más de un 20%, y en el año 2009 se emitió un 52% más respecto al año base. En este marco, se plantea el objetivo de utilizar fuentes de energía alternativas con el fin de disminuir tanto las emisiones contaminantes como la dependencia de los recursos energéticos tradicionales. En este sentido, el uso de hidrógeno generado de forma limpia y económica se plantea como una opción atractiva para solventar parte de las necesidades energéticas de la sociedad (Tecnología del Hidrógeno).

La manera de obtener energía de forma eficiente a partir del H2 es mediante el uso de dispositivos denominados Pilas de Combustible. En particular, las de Membrana Polimérica (PEM) son candidatas ideales para aplicaciones tanto el transporte, como en sistemas estacionarios y dispositivos portátiles. Precisamente, el sector transporte constituye uno de los campos de actividad económica de la Unión Europea, representando además el 28% de las emisiones de CO2, el 35% del consumo energético y el 70% del consumo de petróleo. No obstante, para que este mercado sea económicamente viable, es necesario introducir una serie de mejoras tecnológicas entre las que destacan el aumento de la densidad de potencia mediante el uso de nuevas membranas, y la disminución de la carga del metal noble (Pt) del electrocatalizador. En la actualidad se propone reducir el contenido en Pt por debajo de 0.3 mg/cm2 para el año 2015. Para esa cantidad de carga la actividad deberá ser próxima a 1 W/cm2, es decir, la carga total máxima no debe superar los 0.3 g/KW.

Las pilas de combustible tipo PEM emplean como electrolito sólido membranas de intercambio protónico (polímeros perfluorosulfónicos ácidos) y requieren de catalizadores con un elevado contenido en Pt, especialmente en el cátodo, ya que la cinética de la reducción de O2 es seis órdenes de magnitud más lenta comparada con la del H2 en condiciones reales de trabajo. Uno de los principales problemas que presentan las pilas de combustible tipo PEM es la baja tolerancia al CO que presentan los catalizadores que las forman, el CO se quimiadsorbe fuertemente al Pt en las condiciones de operación de estos dispositivos disminuyendo el rendimiento enormente. Esto supone que el H2 que llega a la pila debe tener un contenido en CO muy bajo (< 10 ppm). A pesar de esto y de la gran madurez tecnológica que presentan, por ejemplo, las pilas de combustible alcalinas (AFC), las pilas tipo PEM han alcanzado una gran popularidad debido, entre otros factores, a la flexibilidad en el uso de un electrolito sólido y a que no hay pérdidas de electrolito. Sin embargo, comparando las pilas tipo PEM con las AFC, las segundas pueden sobrepasar teóricamente a las primeras, alcanzando mayores densidades de corriente. Las pilas AFC tienen muchas ventajas respecto a las PEMFC. Entre éstas pueden destacarse: i) la naturaleza menos corrosiva del medio alcalino comparado con el ácido de las PEM, lo cual asegura una mayor duración del dispositivo; ii) la cinética de la reducción de oxígeno queda favorecida en medio básico, lo cual permite el uso de metales no nobles tipo Ni en la formulación de catalizadores catódicos, con la consecuente disminución del coste. El mayor problema que presentan las pilas AFC proviene del electrolito que emplean, KOH generalmente confinado en una matriz de asbestos. Este puede carbonatarse debido a pequeñas cantidades de CO2 presentes en la alimentación provocando una disminución del contenido en –OH, lo cual empeora la cinética de las reacciones electródicas; un aumento de la viscosidad del electrolito, disminuyendo así la velocidad de difusión; la precipitación de los carbonatos en los electrodos porosos, reduciéndose el transporte de masa; una disminución de la solubilidad del O2 y la reducción de la conductividad del electrolito.

La tendencia actual se basa en el desarrollo de Membranas de Intercambio Aniónico (AAEM), ya que el uso de pilas de combustible con este tipo de membranas aunaría las ventajas de trabajar en medio básico (cinéticas más rápidas, ambiente menos corrosivo) con las derivadas del uso de electrolitos sólidos (ausencia de perdidas de electrolito, fácil manipulación). Además, el problema de la carbonatación se evitaría, ya que al no haber catión móvil como en el caso de las pilas AFC (K+), no se produciría la precipitación de dichas especies. Por otro lado, el balance de agua se simplifica, ya que el agua que se produce en el ánodo se consume en el cátodo, en contrapartida con las pilas PEMFC de intercambio protónico.

Más información.

E. Antolini, E.R. González. J. Power Sources 195 (2010) 3431.

J.R. Varcoe, R.C.T. Slade. Fuel Cells 5 (2005) 187.

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Comentarios

[...] This post was mentioned on Twitter by ecointeligencia, madrimasd. madrimasd said: Blogs Pilas de combustible de membrana de intercambio aniónico: [P. Hernández-Fernández, P. Ocón. Universidad Autó... http://bit.ly/c9PVxJ [...]

mi interes es conocer mas sobre energias limpias que mejoren las condicines actuales del planeta.y que bueno poder apreder a construir las membranas pem haciendolas en casa. gracias por su ayuda. ender

[...] [6]   Hernández-Fernández, P. and Ocón, P. (21/05/2015). “Pilas de combustible de membrana de intercambio aniónico”         from http://www.madrimasd.org/blogs/energiasalternativas/2010/05/26/130881. [...]

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