LA PILA DE HIDROGENO (CONSTRUCCION Y TEORIA)
En el siglo XIX el científico británico william robert groove conectó dos placas de platino a un circuito eléctrico luego comenzó a soplar una de ellas con oxígeno y la otra con hidrógeno resultó que el amperímetro detectó cambios en la intensidad de la corriente
PILA DE HIDROGENO
Corrían
los años 30 del siglo 19, willian Grove observaba las notas de Nicolson y karlail, creyó que podría revertir la electrolisis del
agua, para ello ideo su primera celda combinando electrodos de platino en
contenedores de oxígeno e hidrógeno, posteriormente los sumergió en un baño de
ácido sulfúrico y replico el proceso , las coloco en serie , y observo… entonces
empezó a notar como los gases (hidrogeno y oxigeno disminuían), era la primera
vez que lo que él denomino una "batería voltaica de gas" producía electricidad limpia y segura.
Mas
de un siglo después la audacia de este sujeto sigue cobrando más relevancia
ante la abundancia del combustible mas prometedor, que es el hidrogeno y ante
la inminente escasez de petróleo en los años venideros, a tal punto de batirse
a duelo con otras fuentes de almacenamiento energético de alta eficiencia y
compacticidad, como las baterías de litio por ejemplo.
¿Pero
porque no las vemos aun en el mercado? Ya deberían haber llegado según lo que
me estas comentando…
No
es tan sencillo, hay algunos limitantes que apuntan principalmente a su
combustible (el hidrogeno) .
QUE ES LA PILA DE COMBUSTIBLE
Veamos la Pila de combustible también llamada célula de combustible o celda de combustible, o fuel cell es un dispositivo electroquimico que trabaja de forma muy similar a una batería.Está diseñada para suministrale continuamente reactivos para generar electricidad calor y productos químicos.
Es decir produce energía
en forma de electricidad principalmente
ya que también se puede aprovechar el calor en cogeneración mediante el suministro
continuo externo de un combustible como el hidrogeno y de un oxidante
como el oxigeno, en contraposición una batería
o pila con la cual estamos familiarizados solo emplea los componentes y
combustible que está en su interior produciendo energía hasta que estos se
consumen.
La diferencia principal es que
la pila de combustible puede trabajar de acuerdo al suministro de los reactivos
mientras que las baterías solo a su capacidad interna.
siendo esta la característica
que la diferencia notablemente, ya que podemos recargar tanques de hidrogeno
las veces que deseemos, algo muy similar al llenado de tanques de combustible
de la actualidad, tratandose no solo de practicidad, ya que involuvra un ahorro
inmenso de tiempo a comparación con las baterías de litio.
El proceso electroquímico que
tiene lugar es de relativa alta eficiencia entre 40-60 %, y puede llegar
hasta un > 85%-90 % encogeneracion, es decir si se captura el
calor residual para su uso y tiene un mínimo impacto ambiental en el caso de
emplear fuentes renovables para obtener el hidrogeno ya sea de producto o
producción.
En efecto, estos dispositivos alcanzan eficiencias mayores que las máquinas térmicas, que están limitadas por la eficiencia del ciclo de carnot
Principios De Operación
Una celda de combustible (en realidad, un grupo de celdas) tiene esencialmente los mismos tipos de componentes que una batería. Como en este último, cada celda de un sistema de celda de combustible tiene un par de electrodos, estos son el anodo, que suministra electrones y (donde se oxida el combustible), y el catodo , que absorbe electrones y (donde el oxidante o comburente se reduce).
Ambos electrodos deben estar sumergidos y separados por un electrolito, que puede ser líquido o sólido, y que actúa simultáneamente como aislante eléctrico de las reacciones que tienen lugar en el cátodo respecto a las que tienen lugar en el ánodo. pero que en cualquier caso debe conducir iones entre los electrodos para completar la química del sistema (conductor protónico).Se suministra un oxidante, como oxigeno al cátodo y un combustible, como el hidrogeno, al ánodo, donde se oxida, produciendo iones y electrones de hidrógeno. los electrones viajan desde el ánodo hasta el cátodo a través de un circuito externo, generando una corriente eléctrica, mientras que los protones lo hacen a través del electrolito. En el cátodo, los electrones, protones y el comburente se reducen, es decir los iones de hidrógeno del ánodo absorben electronesdel oxidante dando lugar calor y productos químicos, en el caso de emplearse hidrogeno y oxigeno el producto quimico es agua.
La reacción es exotérmica, en otras palabras libera calor en el proceso, normalmente suele ser muy lenta como para ser operativa sin la presencia de catalizadores lo más común es que los electrodos se utilicen tmb como catalizadores por ello que es muy común utilizarlos aunque allí también se encuntra el principal factor de su elevado costo.La cantidad de corriente eléctrica disponible para el circuito externo depende de la actividad química y la cantidad de sustancias suministradas como combustibles.
La diferencia entre los niveles de energía respectivos en los electrodos ( fuerza electromotriz ) es el voltaje por celda unitaria. Además de hidrógeno puro, también se tiene el hidrógeno contenido en otras moléculas de combustibles incluyendo el diésel, metanol (DMFC) y los hidruros químicos. El residuo producido por este tipo de combustibles además de agua es dioxido de carbono, entre otros.La diferencia de potencial generada por una sola unidad o monocelda es inferior a un voltio, por lo que hay que conectar en serie varias mono-pilas para obtener las tensiones adecuadas para las aplicaciones más comunes.
Tipos de pilas de combustible
Existe una gran variedad de pilas de combustible en
diferentes etapas de desarrollo. Por ello, se pueden clasificar atendiendo a
numerosas características. Las más comunes son las siguientes: (como final de
pantalla)
1.
Según el tipo de combinación de combustible y
oxidante.
2.
Según el tipo de electrolito usado.
3.
Según la temperatura de operación.
4.
Según su eficiencia.
5.
Según el tipo de uso
6.
Según su potencia.
7.
Según el catalizador utilizado.
Dentro
de esta clasificación tomaremos la clasificación por el tipo de electrolito ya
que determina el
tipo de reacciones electroquímicas que tienen lugar en la celda, el tipo de
catalizadores requeridos, el rango de temperatura en el que opera la celda, el
combustible requerido, entre otros factores. Estas características, a su vez,
afectan las aplicaciones para las que estas células son más adecuadas.
CELDAS DE COMBUSTIBLE DE MEMBRANA DE ELECTROLITO
DE POLÍMERO
Las celdas de combustible con electrolito de membrana de polímero (PEM),
también llamadas celdas de
combustible de membrana de intercambio de protones, utilizan un polímero
sólido como electrolito y electrodos de carbono poroso que contienen platino o
un catalizador de aleación de platino. Solo necesitan hidrógeno, oxígeno del
aire y agua para funcionar.
trabajan a temperaturas alrededor de 80 ° C (176 ° F), esta operación a relativa baja temperatura les permite comenzar rápidamente (menos tiempo de calentamiento) y da como resultado un menor desgaste de los componentes del sistema, lo que resulta en una mayor durabilidad.Lamentablemente el catalizador (platino) aumenta el costo del sistema, además es extremadamente sensible al envenenamiento por monóxido de carbono, por lo que es necesario emplear un reactor adicional para reducir el mismo.
Antes de pasar al siguiente tipo de pila de
combustible necesitamos saber que es envenenamiento por monóxido carbono ya que
lo veremos muy a menudo en los siguientes tipos de pilas de combustible.
La presencia de impurezas en el catalizador aumenta la energía de activación disminuyendo las prestaciones de la pila de combustible. Impurezas como el CO y el CO2 tienen un gran impacto en la eficiencia de la pila de combustible tipo PEM.La energía de activación suele utilizarse para denominar la energía mínima necesaria para que se produzca una reaccion quimica dada. En otras palabras es como tener una montaña en nuestro camino y nuestro objetivo es cruzarla, si el envenenmiento se da esta montaña aumenta de altura, y es mucho mas difícil cruzarla o técnicamente que la reacción que buscamos sea mas complicada de efectuarse.En este caso el monóxido de carbono se une al catalizador de platino en el ánodo, disminuyendo la eficiencia de la celda de combustible.
Se utilizan principalmente
para aplicaciones de transporte y algunas aplicaciones estacionarias. Debido a
su rápido tiempo de puesta en marcha y su favorable relación potencia / peso,
además son especialmente adecuadas para su uso en vehículos de pasajeros, como
automóviles y autobuses.
PILAS DE COMBUSTIBLE ALCALINAS
También conocidas como (AFC) fueron una de las primeras desarrolladas, y el primer tipo ampliamente utilizado en el programa espacial de EE. UU. Para producir energía eléctrica y agua a bordo de naves espaciales.utilizan una solución de hidróxido de potasio en agua como electrolito y pueden utilizar una variedad de metales no preciosos como catalizador en el ánodo y el cátodo.
En los últimos años, utilizan una membrana de polímero como electrolito. Estas se encuentran estrechamente relacionadas con las pilas de combustible PEM convencionales, excepto que utilizan una membrana alcalina en lugar de una membrana ácida.El alto rendimiento de los AFC se debe a la velocidad a la que tienen lugar las reacciones electroquímicas en la celda. También han demostrado eficiencias superiores al 60% en aplicaciones espaciales.que incluyen la humectabilidad, el aumento de la corrosión y las dificultades para manejar presiones diferenciales, además de su susceptibilidad al envenenamiento por dióxido de carbono (CO2),incluso la pequeña cantidad de CO2 en el aire puede afectar drásticamente el rendimiento y la durabilidad de la celda debido a la formación de carbonatos.
Las celdas alcalinas con electrolitos líquidos pueden funcionar en un
modo de recirculación, lo que permite la regeneración del electrolito para
ayudar a reducir los efectos de la formación de carbonato en el electrolito,
pero el modo de recirculación presenta problemas con las corrientes de
derivación.
Las celdas de combustible de membrana alcalina (AMFC) abordan estas preocupaciones y tienen una menor susceptibilidad al envenenamiento por CO2 que las AFC de electrolitos líquidos. Sin embargo, el CO2 todavía afecta el rendimiento, y el rendimiento y la durabilidad de los AMFC todavía están por detrás de los de los PEMFC. Se están considerando los AMFC para aplicaciones en la escala de W a kW. Los desafíos para los AMFC incluyen la tolerancia al dióxido de carbono, la conductividad y durabilidad de la membrana, el funcionamiento a temperaturas más altas, la gestión del agua, la densidad de potencia y la electrocatálisis de ánodo.
Conocidas como (PAFC) utilizan ácido fosfórico líquido como electrolito (el ácido está contenido en una matriz de carburo de silicio unida con teflón) y electrodos de carbono poroso que contienen un catalizador de platino.Los PAFC son más tolerantes a las impurezas en los combustibles fósiles que se han reformado en hidrógeno que las celdas PEM.
La eficiencia de PAFC es solo un poco más que la de las centrales eléctricas de combustión, que generalmente operan con una eficiencia de alrededor del 33%.Los PAFC son menos eficientes para generar electricidad por sí solos (37% -42%) en comparación con otras pilas de combustible, suelen ser grandes y pesada, peropueden llegar a alcanzar una eficiencia superior al 85% cuando se utilizan para la cogeneración de electricidad y calor.Con cogeneración nos referimos a aprovechar otras formas de energía aparte de la principal, en este caso seria el aprovechamiento de calor mientras la pila de combustible ya trabaja generando electricidad.Requieren cargas mucho más altas de catalizador de platino que otros tipos de pilas de combustible lo que eleva su costo.
Este tipo de pila de
combustible se utiliza normalmente para la generación de energía estacionaria,
pero algunos PAFC se han utilizado para propulsar vehículos como autobuses
urbanos.
Los MCFC son pilas de combustible de alta temperatura que utilizan un
electrolito compuesto de una mezcla de sal de carbonato fundido suspendido en
una matriz de óxido de aluminio y litio de cerámica químicamente inerte porosa.
Debido a que operan a altas temperaturas de 650 ° C (aproximadamente 1200 ° F), los metales no preciosos se pueden usar como catalizadores en el ánodo y el cátodo, lo que reduce los costos.La eficiencia mejorada es otra razón por la que los MCFC ofrecen importantes reducciones de costos en comparación con las pilas de combustible de ácido fosfórico.se combinan con una turbina, pueden alcanzar eficiencias cercanas al 65%, considerablemente más altas que las eficiencias del 37% al 42% de una planta de celdas de combustible de ácido fosfórico. Cuando se captura y utiliza el calor residual, la eficiencia general del combustible puede ser superior al 85%.
A las altas temperaturas a las que operan los MCFC, el metano y otros hidrocarburos ligeros se convierten en hidrógeno dentro de la propia celda de combustible mediante un proceso llamado reformado interno, que también reduce los costos. La principal desventaja de la tecnología MCFC actual es la durabilidad. Las altas temperaturas a las que operan estas celdas y el electrolito corrosivo utilizado aceleran la descomposición y la corrosión de los componentes, lo que reduce la vida útil de las celdas.
Actualmente, los científicos
están explorando materiales resistentes a la corrosión para componentes, así
como diseños de celdas de combustible que duplican la vida útil de la celda de
las actuales 40,000 horas (~ 5 años) sin disminuir el rendimiento.
Actualmente se están
desarrollando celdas de combustible de carbonato fundido (MCFC) para plantas de
energía a base de carbón y gas natural para aplicaciones eléctricas,
industriales y militares.
PILAS DE COMBUSTIBLE DE ÓXIDO SÓLIDO
Las pilas de combustible de óxido sólido (SOFC) utilizan un compuesto
cerámico duro y no poroso como electrolito. Las SOFC tienen una eficiencia de
alrededor del 60% en la conversión de combustible en electricidad. En
aplicaciones diseñadas para capturar y utilizar el calor residual del sistema
(cogeneración),podría superar el 85%.
También permite a las SOFC reformar los combustibles internamente, lo que permite el uso de una variedad de combustibles reduce el costo asociado con la adición de un reformador al sistema.No se envenenan con monóxido de carbono, incluso se puede utilizar como combustible. Esta propiedad permite que las SOFC utilicen gas natural, biogás y gases derivados del carbón. El funcionamiento a alta temperatura tiene desventajas. Da como resultado un arranque lento y requiere un blindaje térmico significativo para retener el calor y proteger al personal.
Actualmente, los científicos
están explorando el potencial para desarrollar SOFC de baja temperatura que
operan a 700 ° C o menos.
PILAS DE COMBUSTIBLE DE METANOL DIRECTO
La mayoría de las pilas de combustible funcionan con hidrógeno, que se puede alimentar directamente al sistema de pilas de combustible o se puede generar dentro del sistema de pilas de combustible reformando combustibles ricos en hidrógeno como metanol, etanol y combustibles de hidrocarburos.las celdas de combustible de metanol directo (DMFC) funcionan con metanol puro, que generalmente se mezcla con agua y se alimenta directamente al ánodo de la celda de combustible.
Las celdas de combustible de metanol directo no tienen muchos de los problemas de almacenamiento de combustible típicos de algunos sistemas de celdas de combustible porque el metanol tiene una densidad de energía más alta que el hidrógeno, aunque menos que la gasolina o el combustible diesel.El metanol es más fácil de transportar y suministrar porque es un líquido, como la gasolina.se utilizan a menudo para proporcionar energía a aplicaciones de pilas de combustible portátiles, como teléfonos móviles o computadoras portátiles.
Las pilas de combustible reversibles producen electricidad a partir de
hidrógeno y oxígeno y generan calor y agua como subproductos, al igual que
otras pilas de combustible. Sin embargo, los sistemas de celdas de combustible
reversibles también pueden usar electricidad de la energía solar, energía
eólica u otras fuentes para dividir el agua en oxígeno e hidrógeno a través de
electrólisis . Las celdas de combustible reversibles pueden proporcionar
energía cuando sea necesario
las celdas de combustible reversibles
pueden almacenar el exceso de energía en forma de hidrógeno. Esta capacidad de
almacenamiento de energía podría ser un factor clave para las tecnologías de
energía renovable intermitentes.
·
Costos. la membrana y los catalizadores son las principales limitantes
·
Gestión del agua en
las PEMFC. En este tipo de celdas de combustible, la membrana
debe hidratarse, requiriendo evaporar el agua exactamente en la misma medida en
que se produce.
·
Gestión de la
temperatura. Se debe mantener la misma temperatura en toda la
celda para no destruir la celda por fatiga térmica.
·
Control de flujo. Al igual que en un motor de
combustión, hay que mantener una relación constante entre el
reactivo y el oxígeno para que la celda funcione eficientemente.
·
Durabilidad, vida, y
requisitos especiales para ciertos tipos de celdas es critico
emplear materiales que le brinden la capacidad de desenvolverse en su entorno
lo mejor posible.
·
Tolerancia limitada al CO (monóxido de
carbono).
Aplicaciones de las celdas de
combustible
Una de las primeras
aplicaciones prácticas de las células de combustible fue en vehículos
espaciales, basadas en la reacción de hidrógeno y oxígeno, dando como producto
agua, la cual puede usarse por los astronautas para beber, o para
refrigerar los sistemas de la nave.
La NASA
seleccionó celdas de combustible alcalino para la flota del transbordador
espacial, así como para el programa Apollo, principalmente debido a las
eficiencias de generación de energía que se acercan al 70 por ciento. Las
células alcalinas también proporcionan agua potable a los astronautas. Las
celdas son caras, quizás demasiado caras para aplicaciones comerciales, pero
varias empresas están examinando formas de reducir los costos y mejorar la
versatilidad de las celdas. La mayoría de estas pilas de combustible
alcalino están diseñadas para aplicaciones de transporte.
Energía
Las pilas de combustible son muy útiles como fuentes de energía en lugares remotos, como por ejemplo naves espaciales, estaciones meteorológicas alejadas, parques grandes, localizaciones rurales, y en ciertos usos militares.Las pilas de combustible son mucho más limpias que las plantas energéticas tradicionales; una planta de energía basada en pila de combustible que utilice gas natural como fuente de hidrógeno podría generar menos de una onza (28, 35 gramos aproximadamente) de contaminantes (distintos al CO2), por cada kW/h producido, mientras que con los sistemas de combustión convencionales se generarían 25 onzas (708 gramos).
Existe un programa experimental en Stuart Island en
el estado de Washington, donde la compañía Stuart Island Energy Initiative ha
construido un sistema completo en el cual los paneles solares generan la
corriente para hacer funcionar varios electrolizadores que producen hidrógeno.
Este combustible finalmente se utiliza para hacer funcionar una celda de
combustible de hidrógeno que proporciona suficiente energía eléctrica.
Las pilas de combustible pueden utilizarse con gas
de baja calidad de los vertederos o de las plantas de tratamiento de aguas
residuales para generar energía y reducir las emisiones de metano una de ellas es
una planta de 2,8 MW situada en California.
Cogeneración (uso combinado de calor y electricidad)
El calor residual de las pilas de combustible puede
ser aprovechado para viviendas, edificios de oficinas y fábricas. Este tipo de
sistema genera energía eléctrica de manera constante, y al mismo tiempo produce
aire y agua caliente gracias al calor que desprende. Las celdas de combustible de Ácido fosfórico
(PAFC Phosphoric-Acid Fuel Cells) y celdas de combustible de
carbonato Fundido (MCFC Molten Carbonate Fuel Cell) abarcan el segmento más grande
de aplicaciones de cogeneración.
Vehículos de pila de combustible
Las pilas de combustible se han utilizado en varios
tipos de vehículos, incluidos los montacargas , especialmente en aplicaciones en interiores donde sus
emisiones limpias son importantes para la calidad del aire y en aplicaciones
espaciales. El primer automóvil de pila de combustible de hidrógeno
producido comercialmente, el Hyundai Tucson
FCEV , se introdujo en 2013, le siguió Toyota Mirai en
2015 y luego Honda .
Inconvenientes
·
El precio
de mercado es mucho más elevado que otros vehículos
movidos con energías alternativas
·
Usar hidrógeno como combustible no es barato.
·
Aunque solo suelta vapor de agua por el tubo de
escape, el vehículo con pila de hidrógeno no está 100% libre de emisiones contaminantes.
·
Las infraestructuras son escasas por no decir inexistentes,
·
el depósito para almacenar el hidrógeno es muy
voluminoso
Ventajas
·
La principal ventaja de los coches que funcionan con
hidrógeno frente a los eléctricos es que apenas necesitan un par de minutos
para repostar,
·
El potencial de hidrógeno es innegable: si se
obtiene mediante energía renovable o proviene de los excedentes de la
producción eléctrica su impacto en el medioambiente es prácticamente nulo.
·
La autonomía de este tipo de vehículos es similar a la de un vehículo
con motor de combustión..
·
Hoy en día el líder mundial en este
campo es Ballard Power System (Canadá), empresa en la que participan también
Ford y Daimler Chrysler, fabricando pilas capaces de generar 80 kW. Estados
Unidos y Japón tienen una considerable ventaja sobre la Unión Europea en lo que
a este tema se refiere, lo que llevo a la Comisión Europea a plantearse un
cambio de estrategia.
·
En julio de 1998, Zero Emission Vehicle
Company (ZEVCO) lanzó su primer prototipo de taxi en Londres, Inglaterra. El
taxi utiliza una pila de combustible alcalina de 5.000 vatios que no produce
humos nocivos y mucho menos ruido que los taxis tradicionales de combustión
interna. (La compañía informa de una investigación de una agencia de
policía inglesa que busca un crucero "sigiloso" que les permita
acercarse sigilosamente a los criminales). Según los informes, las células
ZEVCO usan catalizadores de cobalto en lugar de platino, lo que reduce el alto
costo. La compañía también ha introducido una serie de otros vehículos
comerciales, incluidas camionetas de reparto, remolcadores de aeropuerto, y una
compañía asociada está haciendo demostraciones de botes propulsados por
celdas de combustible.
El
potencial del hidrogeno es innegable por esto no es niguna sorpresa que lo
encontremos en áreas o equipos que requieran electricidad para su
funcionamiento.
Autobuses
El primer prototipo de autobús brasileño con pilas
de combustible de hidrógeno se utilizó en Sao Paulo. Fue fabricado en Caxias do
Sul y el hidrógeno produjo en Sao Bernardo do Campo a partir de agua mediante
electrólisis. El programa, llamado "Ônibus Brasileiro a Hidrogênio",
incluye tres autobuses adicionales.89
Montacargas
Un montacargas de pila de combustible es utilizado
para elevar y transportar materiales. La mayoría de las pilas utilizadas para
la manipulación de materiales son alimentadas por pilas de combustible PEM.
Motocicletas y bicicletas
En 2005, un fabricante inglés de pilas de
combustible alimentadas con hidrógeno, Intelligent Energy(IE),
produjo una motocicleta propulsada con hidrógeno, llamada la ENV (Vehículo de Emisión Neutra). La motocicleta almacena
suficiente combustible como para funcionar durante 4 horas y recorrer 160 km en
un área urbana, a una velocidad máxima de 80 km/h.
Aviones
En 2003, voló el primer avión propulsado por hélice
del mundo que funcionaba íntegramente con una pila de combustible
En 2016, un dron Raptor E1 realizó un vuelo de
prueba exitoso usando una celda de combustible que era más liviana que la batería de iones
de litio.
Barco
el primer barco de pila de combustible HYDRA del mundo utilizó
un sistema AFC con una potencia neta de 6,5 Kw,por otro lado Ámsterdam
introdujo barcos propulsados por pilas de combustible que transportan a la
gente por los canales de la ciudad.
Submarinos
Los submarinos Tipo
212 de las marinas alemana e italiana utilizan
pilas de combustible para permanecer sumergidos durante semanas sin necesidad
de salir a la superficie.
Sistemas de energía portátiles
Las celdas de microcombustible están destinadas
principalmente a penetrar en el mercado de teléfonos y computadoras
portátiles.
Esto se puede atribuir principalmente a la densidad de energía ventajosa proporcionada
por las pilas de combustible sobre una batería de iones de litio.
A medida que aumenta la demanda de energía para los
teléfonos celulares, las celdas de combustible podrían convertirse en opciones
mucho más atractivas para una mayor generación de energía.
Estaciones de repostaje
Según FuelCellsWorks, un grupo industrial, a finales
de 2019, 330 estaciones de
repostaje de hidrógeno estaban
abiertas al público en todo el mundo. En junio de 2020, había 178
estaciones de hidrógeno disponibles públicamente en funcionamiento en
Asia. 114 de ellos estaban en Japón. Había al menos 177 estaciones en
Europa, y aproximadamente la mitad de ellas estaban en Alemania. Había 44
estaciones de acceso público en los EE. UU., 42 de las cuales estaban ubicadas
en California.
La
construcción de una estación de servicio de hidrógeno cuesta entre $ 1 millón y
$ 4 millones.
Otros posibles usos
·
Sistemas Auxiliares de Energía
·
Proporcionar energía para estaciones de radio base
·
Sistemas de centralización de energía
·
Sistemas de energía de emergencia
·
Equipo de telecomunicaciones y modernos
equipamientos navales.
·
Sistema de alimentación ininterrumpida UPS
·
Vehículos
híbridos, utilizando, por ejemplo una pila de combustible y
una batería.
·
Sistemas de apoyo a la red eléctrica
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Puertos portátiles para instrumentos electrónicos
pequeños
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Equipos pirtatiles
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Aparatos de calefacción pequeños
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Conservaicion de alimentos
·
Detectores de monóxido de carbono
·
Generación
distribuida
Investigación y desarrollo
Los materiales que
intervienen en la reacción se encuentran en investigación ya que debido a las
eficiencias toericas, puede ser una tecnología que que solo requiera una pieza
mas para su apertura total al mercado
Sin duda encontremos
muchosa aportes a lo largo de los años aquí algunos de ellos.
·
2005: Los investigadores del Instituto de Tecnología de Georgia utilizaron triazol para elevar la temperatura de funcionamiento de las celdas
de combustible PEM de menos de 100 ° C a más de 125 ° C, afirmando que esto requerirá
menos purificación de monóxido de carbono del combustible de hidrógeno. [189]
· 2008: La Universidad de Monash , Melbourne utilizó PEDOT como cátodo .
· 2009: Investigadores de la Universidad de Dayton , en Ohio, demostraron que las matrices de nanotubos de carbono crecidas verticalmente podrían usarse como catalizador en las pilas de combustible. El mismo año, se demostró un catalizador a base de bisdifosfina de níquel para pilas de combustible.
· 2013: la empresa británica ACAL Energy desarrolló una pila de combustible que, según dijo, puede funcionar durante 10.000 horas en condiciones de conducción simuladas.Afirmó que el costo de construcción de la celda de combustible se puede reducir a $ 40 / kW (aproximadamente $ 9,000 por 300 HP).
·
2014: Investigadores del Imperial College
de Londres desarrollaron un nuevo método para la
regeneración de PEFC contaminados con sulfuro de hidrógeno. Recuperaron
del 95 al 100% del rendimiento original de un PEFC contaminado con sulfuro de
hidrógeno. También consiguieron rejuvenecer un PEFC contaminado
con SO 2 . Este
método de regeneración es aplicable a múltiples pilas de células.
¿ES POSIBLE REPLICAR ALGUN MODELO EN CASA?
La respuesta corta es si, aunque demanda tiempo según la complejidad y la
aplicación que deseamos
A continuación, les presentare las más difundidas.
1 CONSTRUCCION EN BASE A ELECTRODOS DE PLATINO
En tiendas online puedes encontrar alambres de platino a un precio relativamente económico los cuales puedes emplear como electrodos para la pila de combustible de hidrogeno.
Toma el alambre de platino y divídelo en 2 , posteriormente toma los cables y unirás uno a cada extremo de cada alambre ,asegurándolo de preferencia con silicona o cinta para evitar la separación de la misma.Ahora envolverás el alambre en algún elemento cilíndrico , en este caso se toma un clavo , concluido esto retiraras cuidadosamente el alambre y lo colocaras con la ayuda de un trozo de madera considerando la separcion de los electrodos para evitar un cortocircuito en un vaso que contendrá agua con KOH o NaOH.Posteriormente conectaras los terminales de los cables que uniste a los electrodos a una batería de 9 volt , también puedes usar baterías de 3.7v 7.2 entre otros , ya que para romper la molécula del agua es necesario 1,229 V.
Posteriormente retiraras la batería o pila y colocaras el multímetro en los terminales de la misma y en la escala de milivoltios en DC, con esto observaras un voltaje , que poco a poco ira disminuyendo debido al consumo de las burbujas pequeñas de oxigeno y e hidrogeno que se formaron alrededor de los electrodos.Sip puedes asegurarte que se encuentran allí para una mejor experienciaUn modelo un poco mas sofisticado es el que Alex nos propone en el siguiente video, la diferencia principal es que los gases son almacenados en contenedores que te brindan mucho más tiempo de uso.Como sugerencia puedes intentar calentar el electrolito ya que esto actúa como catalizador aparte de tus electrodos que ya aportan en este proceso.
Puedes
comprar una membrana nafion en tiendas online , como lo describimos
anteriormente esta funcionara como electrolito, por ello solo necesitaras dos electrodos
y contenedores o alimentadores de hidrogeno y oxígeno.
Nuestro amigo thoisoi nos puede ayudar con este proceso, el emplea una hoja de esponja de níquel para mejora el área de superficie de contacto en la que actuaran los componentes de la reacción, lo recubre con una capa de platino similar a la galvanoplastia.Para asegurar el baño metálico thoisoi limpia por ultrasonido las esponjas de metal en una solución de jabón y posteriormente alcohol retirando la grasa y suciedad que pudiera encontrarse en la esponja o malla.
Para recubrir el electrodo de níquel con platino emplea un químico llamado ácido cloroplatínico que se disuelve muy bien en agua, y otro electrodo de titanio.
ácido cloroplatinico, lo haces pasar por 15 mililitro de agua , necesitaremos 15 mililitros, luego se vierte 9 gramos de esta solución en un vaso de precipitado aumentando el volumen de la solución a 200 ml, luego mediante un electrodo de platino recubierto con iridium and rosidium oxide, ya que el medio es agresivo.
Este ultimo se utiliza en chapados en oro y rodio con la finalidad de desarrollar una reaccion suavemente y para que la solución permanezca lo más limpia posible.Para iniciar el proceso coloca los terminales positivo en el electrodo de titanio y negativo en el electrodo de esponja de níquel, el platino cubrirá lentamente la superficie del níquel creando una capa gris muy delgada debido a su estructura ligeramente granulada, siendo el tiempo aproximado de 20 minutos por electrodo, luego los pasa a enjuagar en agua destilada para retirar la solución completamente. El proceso es el mismo para el otro electrodo.Para almacenar los gases emplea 2 envases de jeringas, en ambos coloca los electrodos con pegamento , en este caso resina epoxi, posteriormente retira los protectores de la membrana de nafion ,la cual se coloca entre las dos jeringas , a modo de sándwich.Para verificar el funcionamiento suministra hidrogeno en un solo contenedor y se observa un cambio de tensión cercano a 1v, se alcanza 15 mA y 0.7 de los 1.3 voltios que debería alcanzar teóricamente
4 COMPRA UNA PILA DE COMBUSTIBLE
Sip ,puedes encontrar una gran variedad de pilas de combustible en tiendas online. El siguiente es de tipo reversible, para colocarla en funcionamiento necesitaras aplicar una tensión en sus bornes con el objetivo de descomponer la moléculas del agua en contenedores separados, luego retiraras la alimentación y colocas a funcionar la carga que deseas ,en este modelo se maneja un pequeño motor DC, lentamene el gas de los contenedores ira disminuyendo.
Existen
otros modelos donde solo requieres alimentar la pila con combustible con
hidrogeno y oxigeno directamente saltándote el proceso de electrolisis previo
en la misma celda.
Contienen una placa metálica de niquel
o acero , no , luego el nafion esta
cubierto con fibras de algún compuesto carbonado con particulas de
platino, lo que aumenta la eficiencia de la pila de combustible .
Recuerda que en la zona donde
summnistras oxigeno debe formarse agua, chequea esto.
3 APORTE PERSONAL
Yo
y un grupo de compañeros tuvimos el agrado de construir unas cuantas pilas de
combustible en base a los conocimientos que poseíamos y los que adquirímos
luego de algunas investigaciones en este campo, pueden consultar algunas de
ellas en la descripción del video.
La
construcción lleva un poco de tiempo, ya que es necesario apilar las celdas de
combustible para obtener un voltaje considerable, pues la diferencia de
potencial teórica que debería alcanzar cada celda es un valor cercano a 1v, y
para este voltaje son pocos los equipos por no decir ninguno que trabajan
adecuadamente, en cuestiones de alimentación.
Quiza podríamos agregar un elevador de
tensión o Buck converter y obtener un, ya que la corriente generada es bastante
atractiva.
MATERIALES
La pila de combustible que elabore fue la
AFC, los materiales empleado para la realización, trate de mantenerlos lo mas
económicos posibles , es por ello que intente avalarme en un estudios que
proponían al niquel como catalizador de
la reacción.
Los materiales totales los dejare en la
pagina del canal que puedes consultar en la descripción del video.
·
Placas de acero inoxidable
·
Varillas de soldaura con contenido de niquel
·
Taladro
·
Dremel
·
Cables
·
Agua
·
Soda caustica (Hidroxido de sodio)
·
Tuercas y tornillos
·
Soportes de metal, acrilico o madera.
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Gomas elásticas o liga común.
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Cable calibre 14 de un solo hilo.
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Superglue o pegamento instantáneo (cianocrilato).
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Brocas de ½ o ¼ de pulgada.
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Tarros de leche o placas de laton o similares
DESCRIPCION DE MONTAJE
Tuvimos un total de tres intentos
EL primero fue una pila de
hidrogeno reversible, para ello armamos el siguiente conjunto
Los materiales una vez mas en la descripción
del video
Lo que hicimos fue apilar los
elementos en el siguiente orden
primero una placa de acrílico con
los respectivos agujeros , luego un aro de caucho (aunque prefería un o-ring
pero no se pudo), posteriormente una placa hexagonal de acero zincado en el
cual previamente se realizo un agujero , posteriormente otro aro de caucho,
nuevamente una placa de acero zincado con agujero, para finalizar con un aro de
caucho y la ultima placa de acrílico con el objetivo de sellar el conjunto a presión
mediante cuatro tornillos que van en las cuatro esquinas de las placas de acrílico.
Para colocarla en fucnionamiento ingresaramos
el electrolito (hidrocxido de sodio en este caso) mediante las aberturas
dedicadas en las placas de acrílico externas.
Por ser una pila de combustible
reversible es necesario primeramente alimentar el sistema con tension a ambas
placas y producir la electrolisis, posteriormente se debe percibir en los
terminales un voltaje cercano a 1 volt, buen indicador que se esta dando la
reacción que buscada, en nuestro caso lleguamos a mover un motor pequeño dc,
lamentablemente es dable que un
electrodo se oxide por el proceso de electrolisis, esto afecta a la experiencia
ya que tiene el mismo efecto de una batería momentánea o un capacitor electrolítico,
dándote como resultado tensiones y corrientes que no son producidas por la
reacción inversa a la electrolisis, por ello la importancia de emplear
materiales difíciles de oxidar o corroer como el platino muy aparte de su
efecto catalizador de la reacción.
Lo cierto es que la reacción es
dable, aunque no con la velocidad que esperamos, ya que necesitamos como bien
lo mencionamos, una energía de activación dada.
Estuve realizando pruebas de equipo
luego de ensamblar el primero, obtuve el movimiento de un pequeño motor y creo
que se debía al efecto contraria de la electrolisis , aunque ahora tampoco me
encuentro seguro de si fue ello o fue
solamente la oxidación y reducción de ambas placas de acero que se emplearon
para la realización del circuito.
La
cavidades primera y tercera estaban destinadas para albergar los gases
(hidrogeno y oxigeno), y la cavidad central albergaba el electrolito, el cual
fue hidróxido de sodio en agua.
Para
este diseño y el siguiente que veremos fue necesario tener una fuente de
hidrogeno, yo tenía en
experiencia en esto, ya que años atrás construí generadores de hidrogeno por
electrolisis del agua, solo que en ese momento no importaba que hidrogeno y
oxigeno salieran por el mismo conducto.
Necesitábamos
un diseño compacto para separar los gases, es por ello que mediante este
sistema que idee pudimos separar exitosamente ambos gases (hidrogeno y
oxigeno), en una sección o cavidad se produce hidrogeno y en el opuesto oxígeno
, gracias a la comunicación por el electrolito que existe entre ambos sectores.
El
oxígeno fue corroborado por su característica de avivar las llamas y el
hidrogeno por su poder explosivo, cumpliendo con las expectativas del sistema.
Creo que sería necesario hacer algunas
incisiones en las palcas de metal para obtener una mayor producción, es posible
que se degraden mucho más rápido las palcas, no estoy seguro por el momento ya
que es posible en el caso de ser un acero cromado la capa de oxido que evita la
oxidación del hierro lo cubra oportunamente.
Ingresamos
a la pila de combustible el electrolito y suministramos los gases por ambas
aberturas a cada extremo de las placas de acrílico, con este modelo pudimos
obtener tensión, pero no la corriente suficiente para mover el pequeño motor,
lo notable de esta experiencia es que conforme suministrábamos hidrogeno a través
del sistema de electrolisis el voltaje que marcaba el multímetro aumentaba y
cuando se lo retiraba, este último decrecía.
Creí
que era el camino correcto pero este último modelo no explicaba el transporte
de iones que se da en realidad dentro de una pila de combustible, ya que esto últimos
no pueden atravesar las placas solidas de metal, es necesario que estos últimos
dispongan de porosidad.
Es
por ello que en el tercer intento tuve en consideración la porosidad que debían
mantener los electrodos, para ello tuvimos que limar varillas de soldadura con
alto contenido de níquel y placas de acero, con la finalidad que los espacios entre
partículas permitieran que el gas atraviese los mismos hacia el electrolito,
produciéndose la reacción deseada.
Al
parecer funcionaba, pero un nuevo problema se presento ya que por la porosidad
de los electrodos el electrolito se escapaba rápidamente, es por ello que para
mantenerlo al menos por unos minutos en su cavidad coloque en la sección del
electrolito 2 trozos de papel, al menos esto nos dio el tiempo suficiente para realizar
la medición esperada.
El
voltaje Aumentaba cada vez que hacía ingresar el hidrogeno, sé que de algún
modo la reacción se tenia que estar ejecutando.
cabe
mencionar que las celdas de combustible estudiadas tenían el resultado
esperado, pero no se puede comprobar que sean producidas por este fenómeno o
por otros al igual que el primer intento, sería necesario equipo más
sofisticado.
Pero
no te desanimes, ya que hay muchos estudios que proponen catalizadores
económicos ,lo que permite cada vez estar mas cerca de una adquisición o
producción casera mucho más fiable, te invito revisar la bibliografía en la descripción
del video , donde encontraras algunos de los documentos que te permitirán
acercarte a tu objetivo.
CRITICA
Los
vehículos eléctricos han experimentado un increíble boom, siendo millones los
vendidos en los últimos años, muchos propulsados por tecnología de
almacenamiento de baterías , pero pocos propulsados por hidrogeno y pilas de
combustible, a pesar que ya existe un mercado pequeño en la actualidad.
Pero,
¿Cuándo se trata de propulsar vehículos eléctricos cual es la mejor opción?
Ambos
tipos de tecnología pueden almacenar energía proveniente de fuentes renovables,
sin embargo, los partidarios de cada tecnología están librando un gran debate.
Elonk
Musk ha a calificado la tecnología de pilas de combustible de hidrogeno como increíblemente tonta,
afirmando que hay mas de una estrategia
de marketing para los fabricantes de automóviles que una solución a largo plazo,
ya que nunca serán comercialmente viables debido a
la ineficiencia de producir, transportar y almacenar hidrógeno y la
inflamabilidad del gas, entre otras razones, Por otro lado, Japón ha anunciado
su intención de convertirse en la primera sociedad de hidrogeno del mundo.
En 2012, Lux Research, Inc. emitió 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 solo 5,9 GW" para 2030,
En 2014, Joseph Romm , autor de The Hype About
Hydrogen (2005), Concluyó que la energía renovable
no se puede utilizar económicamente para producir hidrógeno para una flota de
FCV "ni ahora ni en el futuro". El analista de Greentech Media llegó
a conclusiones similares en 2014. En 2015,
Lo
que indica que la tecnología de hidrogeno puede impulsar vehículos a largas
distancias y con un menor espacio, indispensable en industrias como la
aviación. Por otro lado Cada kilogramo de peso adicional de batería para
aumentar el alcance en un vehículo
eléctrico de baterías requiere un peso estructural adicional, limitando la
distancia final que pueden alcanzar.
Para
los vehículos de pila de combustible de hidrogeno esto no es un problema,
además repostaje del vehículo se puede
lograr en poco tiempo, algo inviable en un vehículo eléctrico de baterías
(coloca tiempos de carga del tesla).
Claramente
el hidrogeno parece ser una forma extremadamente inteligente de impulsar un
automóvil, pero queda atrás cuando empezamos a considerar la producción de principio
a fin. El costo de almacenamiento de la energía en ambas tecnologías cambia drásticamente,
por ejemplo, si comparamos cargar un tesla model 3 y un Toyota mirai , ambos
representantes de estas tecnologías, notamos como el costo de recarga es más
alto para un vehículo de pila de combustible de hidrogeno.
Necesitamos
separar el hidrogeno, que se encuentra combinado con otros elementos
naturalmente, El proceso de electrolisis es uno de los mas antiguos y mas
conocidos para descomponer el agua en sus dos principales componentes,
lamentablemente este proceso no es viable en tiempos de respuesta rápidos y por
requerir de mucha mas energía que el reformado por vapor, otra tecnología de obtención
de hidrogeno que no es muy viable por la contaminación y perdidas del proceso, para
lograr que el hidrogeno se convierta en un combustible popular primeramente
necesitamos reducir su precio para hacerlo competitivo con el precio de las
baterías y combustibles fósiles.
Esto
ha generado un gran punto de investigación en los últimos 50 años y las
membranas PEM tienen un papel importante para facilitar una economía de
hidrogeno realística, como anteriormente vimos PEM reemplaza el agua rica en el
electrolito por una membrana colocada entre el cátodo y el ánodo, requiriendo
menos voltaje para operar eficientemente, con un tiempo de respuesta rápido.
Según
un video de real enginering en el caso de recurrir a la electrolisis se pierde aproximadamente
un 30% de la energía aportada al sistema, en el caso de emplear la tecnología PEM
la perdida es del 20%, asi mismo otra importante perdida es por su almacenamiento,
ya que al comprimirla se perdería el 13% de la energía que el mismo contiene o
por licuación alrededor del 40 %, siendo estos los principales ya que otro
tanto se pierde en el transporte desde la zonas producción hacia puntos
particulares.
No
es necesario ponernos a pensar demasiado en la eficiencia que llega a alcanzar
los procesos detrás de los combustibles fósiles ya que termina siendo un
panorama similar o mucho más desalentador que el hidrogeno.
así
al compararlo con las perdidas en un vehículo eléctrico de baterias, tendríamos
una pérdida del 33% en el mejor
escenario llegando alcanzar el 56% de perdida en otros mientras que la eficiencia
de la batería se redice a un 5%.
No
solo esto ya que el hidrogeno debe convertirse en electricidad, lo que también atribuye
perdidas alrededor 40% ya que la eficiencia como bien asimilamos se encontraba
alrededor del 60 %, así también debemos agregar la ineficiencia del inversor,
ya que la tensión producida por la pila de combustible de hidrogeno y batería
es corriente directa , mientras que los motores requieren una tensión alterna,
y por último debemos de sumar la perdidas del motor electrico.
Las celdas de combustible tienen una
eficiencia de 90 95 % que es mucho mayor a la eficiencia de un vehículo de combustión
alrededor del 20-30%, por lo que
aplicar hidrogeno directamente a un motor de combustión, aunque parece una
solución viable sencilla, en realidad mucha de la energía invertida en el
sistema se pierde.
Con
el mejor escenario la tecnología detrás del hidrogeno pierde más de la mitad de
la energía almacenada, mientras que la tecnología de baterías mucho menos de la
mitad.
Entonces
si bien es posible recorrer mayores distancias con la pila de combustible de
hidrogeno, el costo necesario para entregar ese poder es mucho más alto debido
a las pérdidas e ineficiencias de su manejo.
Así
también la tecnología de regeneración de energía en vehículos eléctricos seria
mas viable en los que contengan baterías de litio
Si
bien las celdas de combustible son eficientes en relación con los motores de combustión
, no son tan eficientes como las baterías
Podrían
tener más sentido para la operación desconectada en la red eléctrica o Poder
usar el hidrogeno para aviones en realidad podría tener más sentido
Aunque en principio se ha hablado de
hidrógeno como combustible y oxígeno como oxidante, cualesquiera sustancias
susceptibles de ser oxidada y reducida respectivamente se pueden emplear en la
pila de combustible.
Muy bien gente , espero que les haya agradado, no olviden compartir darle like y suscribirse ,con eso es mas que suficiente para seguir motivado y continuar trabajando para seguir trabajando en este tipo de videos.
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