Pila de combustible

Modelo de demostración de una célula de combustible de metanol directo (cubo de capa negra) en su recinto.

Esquema de una célula de combustible conducida por protones

Una pila de combustible es una pila electroquímica que convierte la energía química de un combustible (a menudo hidrógeno) y un agente oxidante (a menudo oxígeno) en electricidad a través de un par de reacciones redox. Las celdas de combustible se diferencian de la mayoría de las baterías en que requieren una fuente continua de combustible y oxígeno (generalmente del aire) para mantener la reacción química, mientras que en una batería la energía química generalmente proviene de sustancias que ya están presentes en la batería. Las celdas de combustible pueden producir electricidad continuamente mientras se les suministre combustible y oxígeno.

Las primeras celdas de combustible fueron inventadas por Sir William Grove en 1838. El primer uso comercial de las celdas de combustible se produjo más de un siglo después, tras la invención de la celda de combustible de hidrógeno-oxígeno por parte de Francis Thomas Bacon en 1932. La celda de combustible alcalina, también conocida como pila de combustible Bacon en honor a su inventor, se ha utilizado en los programas espaciales de la NASA desde mediados de la década de 1960 para generar energía para satélites y cápsulas espaciales. Desde entonces, las pilas de combustible se han utilizado en muchas otras aplicaciones. Las celdas de combustible se utilizan para energía primaria y de respaldo para edificios comerciales, industriales y residenciales y en áreas remotas o inaccesibles. También se utilizan para impulsar vehículos de pila de combustible, como carretillas elevadoras, automóviles, autobuses, trenes, barcos, motocicletas y submarinos.

Hay muchos tipos de celdas de combustible, pero todas constan de un ánodo, un cátodo y un electrolito que permite que los iones, a menudo iones de hidrógeno cargados positivamente (protones), se muevan entre los dos lados de la celda de combustible. En el ánodo, un catalizador hace que el combustible experimente reacciones de oxidación que generan iones (a menudo iones de hidrógeno con carga positiva) y electrones. Los iones se mueven del ánodo al cátodo a través del electrolito. Al mismo tiempo, los electrones fluyen del ánodo al cátodo a través de un circuito externo, produciendo electricidad de corriente continua. En el cátodo, otro catalizador hace que iones, electrones y oxígeno reaccionen, formando agua y posiblemente otros productos. Las pilas de combustible se clasifican por el tipo de electrolito que utilizan y por la diferencia en el tiempo de arranque que va desde 1 segundo para las pilas de combustible de membrana de intercambio de protones (pilas de combustible PEM o PEMFC) hasta 10 minutos para las pilas de combustible de óxido sólido (SOFC). Una tecnología relacionada son las baterías de flujo, en las que el combustible se puede regenerar mediante recarga. Las celdas de combustible individuales producen potenciales eléctricos relativamente pequeños, alrededor de 0,7 voltios, por lo que las celdas se 'apilan', o se colocan en serie, para crear el voltaje suficiente para cumplir con los requisitos de una aplicación. Además de electricidad, las celdas de combustible producen vapor de agua, calor y, dependiendo de la fuente de combustible, cantidades muy pequeñas de dióxido de nitrógeno y otras emisiones. La eficiencia energética de una pila de combustible está generalmente entre el 40 y el 60 %; sin embargo, si el calor residual se captura en un esquema de cogeneración, se pueden obtener eficiencias de hasta el 85%.

Historia

Sketch de la célula de combustible de Sir William Grove 1839

Las primeras referencias a las pilas de combustible de hidrógeno aparecieron en 1838. En una carta fechada en octubre de 1838 pero publicada en la edición de diciembre de 1838 de The London and Edinburgh Philosophical Magazine and Journal of Science, el físico y abogado galés Sir William Grove escribió sobre el desarrollo de sus primeras celdas de combustible crudo. Usó una combinación de láminas de hierro, cobre y porcelana, y una solución de sulfato de cobre y ácido diluido. En una carta a la misma publicación escrita en diciembre de 1838 pero publicada en junio de 1839, el físico alemán Christian Friedrich Schönbein habló sobre la primera celda de combustible crudo que había inventado. Su carta discutía la corriente generada a partir de hidrógeno y oxígeno disueltos en agua. Grove luego esbozó su diseño, en 1842, en la misma revista. La pila de combustible que fabricó utilizó materiales similares a los de la pila de combustible de ácido fosfórico actual.

En 1932, el ingeniero inglés Francis Thomas Bacon desarrolló con éxito una celda de combustible estacionaria de 5 kW. La celda de combustible alcalina (AFC), también conocida como celda de combustible Bacon en honor a su inventor, es una de las tecnologías de celdas de combustible más desarrolladas, que la NASA ha utilizado desde mediados de la década de 1960.

En 1955, W. Thomas Grubb, un químico que trabajaba para General Electric Company (GE), modificó aún más el diseño original de la pila de combustible utilizando una membrana de intercambio iónico de poliestireno sulfonado como electrolito. Tres años más tarde, otro químico de GE, Leonard Niedrach, ideó una forma de depositar platino en la membrana, que sirvió como catalizador para las reacciones necesarias de oxidación de hidrógeno y reducción de oxígeno. Esto se conoció como la 'pila de combustible Grubb-Niedrach'. GE pasó a desarrollar esta tecnología con la NASA y McDonnell Aircraft, lo que llevó a su uso durante el Proyecto Gemini. Este fue el primer uso comercial de una pila de combustible. En 1959, un equipo dirigido por Harry Ihrig construyó un tractor de pila de combustible de 15 kW para Allis-Chalmers, que se mostró en ferias estatales en todo Estados Unidos. Este sistema utilizaba hidróxido de potasio como electrolito e hidrógeno y oxígeno comprimidos como reactivos. Más tarde, en 1959, Bacon y sus colegas demostraron una unidad práctica de cinco kilovatios capaz de alimentar una máquina de soldar. En la década de 1960, Pratt & Whitney autorizó las patentes de EE. UU. de Bacon para su uso en el programa espacial de EE. UU. para suministrar electricidad y agua potable (el hidrógeno y el oxígeno están fácilmente disponibles en los tanques de la nave espacial). En 1991, Roger E. Billings desarrolló el primer automóvil con pila de combustible de hidrógeno.

UTC Power fue la primera empresa en fabricar y comercializar un gran sistema estacionario de celdas de combustible para su uso como planta de cogeneración en hospitales, universidades y grandes edificios de oficinas.

En reconocimiento a la industria de las pilas de combustible y el papel de Estados Unidos en el desarrollo de las pilas de combustible, el Senado de los Estados Unidos reconoció el 8 de octubre de 2015 como el Día Nacional del Hidrógeno y las Pilas de Combustible, al aprobar la S. RES 217. La fecha fue elegida en reconocimiento del peso atómico del hidrógeno (1,008).

Tipos de celdas de combustible; diseño

Las celdas de combustible vienen en muchas variedades; sin embargo, todos funcionan de la misma manera general. Están formados por tres segmentos adyacentes: el ánodo, el electrolito y el cátodo. Dos reacciones químicas ocurren en las interfaces de los tres segmentos diferentes. El resultado neto de las dos reacciones es que se consume combustible, se crea agua o dióxido de carbono y se crea una corriente eléctrica, que puede usarse para alimentar dispositivos eléctricos, normalmente denominados carga.

En el ánodo, un catalizador oxida el combustible, generalmente hidrógeno, y lo convierte en un ion con carga positiva y un electrón con carga negativa. El electrolito es una sustancia diseñada específicamente para que los iones puedan atravesarlo, pero los electrones no. Los electrones liberados viajan a través de un cable creando la corriente eléctrica. Los iones viajan a través del electrolito hasta el cátodo. Una vez que llegan al cátodo, los iones se reúnen con los electrones y los dos reaccionan con un tercer químico, generalmente oxígeno, para crear agua o dióxido de carbono.

Un diagrama de bloques de una célula de combustible

Las características de diseño de una celda de combustible incluyen:

• La sustancia electrolito, que generalmente define la Tipo de la célula de combustible, y se puede hacer de una serie de sustancias como hidroxido de potasio, carbonatos de sal y ácido fósforo.
• El combustible que se utiliza. El combustible más común es hidrógeno.
• El catalizador de ánodo, generalmente polvo de platino fino, descompone el combustible en electrones y iones.
• El catalizador de cátodo, a menudo níquel, convierte iones en productos químicos de desecho, siendo el agua el tipo más común de residuos.
• Las capas de difusión de gas diseñadas para resistir la oxidación.

Una celda de combustible típica produce un voltaje de 0,6 a 0,7 V a plena carga nominal. El voltaje disminuye a medida que aumenta la corriente, debido a varios factores:

• Pérdida de activación
• Pérdida Ohmic (caída de tensión debido a la resistencia de los componentes celulares e interconexiones)
• Pérdida de transporte masivo (desplemento de reaccionarios en sitios catalizadores bajo cargas elevadas, causando una rápida pérdida de tensión).

Para entregar la cantidad deseada de energía, las celdas de combustible se pueden combinar en serie para generar un voltaje más alto y en paralelo para permitir que se suministre una corriente más alta. Tal diseño se llama pila de celdas de combustible. El área de la superficie de la celda también se puede aumentar para permitir una mayor corriente de cada celda.

Células de combustible de membrana de intercambio de protones

Construcción de una alta temperatura PEMFC: Placa bipolar como electrodo con estructura de canal de gas in-milled, fabricada a partir de compuestos conductivos (reforzada con grafito, carbono negro, fibra de carbono y/o nanotubos de carbono para mayor conductividad); Papeles porosos de carbono; capa reactiva, generalmente sobre la membrana polímero aplicada; membrana polímero.

Condensation of water produced by a PEMFC on the air channel wall. El alambre de oro alrededor de la célula garantiza la colección de corriente eléctrica.

Micrografo SEM de una sección cruzada PEMFC MEA con un catodio de catalizador de metal no precioso y un ánodo Pt/C. Colores falsos aplicados para la claridad.

En el diseño arquetípico de celda de combustible de membrana de intercambio de protones de óxido de hidrógeno (PEMFC), una membrana de polímero conductor de protones (típicamente nafion) contiene la solución de electrolito que separa los lados del ánodo y el cátodo. Esto se denominó celda de combustible de electrolito de polímero sólido (SPEFC) a principios de la década de 1970, antes de que se entendiera bien el mecanismo de intercambio de protones. (Observe que los sinónimos membrana electrolítica de polímero y mecanismo de intercambio de protones dan como resultado el mismo acrónimo).

En el lado del ánodo, el hidrógeno se difunde al catalizador del ánodo donde luego se disocia en protones y electrones. Estos protones a menudo reaccionan con los oxidantes, lo que hace que se conviertan en lo que comúnmente se conoce como membranas de protones con múltiples facilitadores. Los protones se conducen a través de la membrana hasta el cátodo, pero los electrones se ven obligados a viajar en un circuito externo (suministrando energía) porque la membrana es eléctricamente aislante. En el catalizador del cátodo, las moléculas de oxígeno reaccionan con los electrones (que han viajado por el circuito externo) y los protones para formar agua.

Además de este tipo de hidrógeno puro, existen combustibles de hidrocarburos para celdas de combustible, incluido el diesel, el metanol (ver celdas de combustible de metanol directo y celdas de combustible de metanol indirecto) e hidruros químicos. Los productos de desecho con este tipo de combustible son dióxido de carbono y agua. Cuando se usa hidrógeno, el CO₂ se libera cuando el metano del gas natural se combina con vapor, en un proceso llamado reformado de metano con vapor, para producir hidrógeno. Esto puede tener lugar en una ubicación diferente a la celda de combustible, lo que podría permitir que la celda de combustible de hidrógeno se use en interiores, por ejemplo, en montacargas.

Los diferentes componentes de un PEMFC son

1. placas bipolares,
2. electrodos,
3. catalizador,
4. membrana y
5. el hardware necesario, como los actuales coleccionistas y juntas.

Los materiales utilizados para las diferentes partes de las celdas de combustible difieren según el tipo. Las placas bipolares pueden estar hechas de diferentes tipos de materiales, como metal, metal revestido, grafito, grafito flexible, compuesto C-C, compuestos de polímero de carbono, etc. El conjunto de electrodos de membrana (MEA) se conoce como el corazón de el PEMFC y generalmente está hecho de una membrana de intercambio de protones intercalada entre dos papeles de carbón recubiertos con catalizador. El platino y/o un tipo similar de metales nobles se utilizan normalmente como catalizador para PEMFC, y estos pueden estar contaminados con monóxido de carbono, lo que requiere un combustible de hidrógeno relativamente puro. El electrolito podría ser una membrana de polímero.

Problemas de diseño de celdas de combustible de membrana de intercambio de protones

Costo

En 2013, el Departamento de Energía estimó que los costos del sistema de células de combustible automotriz de 80 kW US$67 por kilovatio podría lograrse, asumiendo la producción de volumen de 100.000 unidades automotrices al año y US$55 por kilovatio podría lograrse, asumiendo la producción de volumen de 500.000 unidades al año. Muchas empresas están trabajando en técnicas para reducir el costo de una variedad de maneras, incluyendo reducir la cantidad de platino necesario en cada célula individual. Ballard Power Systems ha experimentado con un catalizador mejorado con seda de carbono, lo que permite una reducción del 30% (1.0–0,7 mg/cm)²) en el uso de platino sin reducción en el rendimiento. Monash University, Melbourne utiliza PEDOT como cathode. Un estudio publicado en 2011 documentó el primer electrocatalyst libre de metal utilizando nanotubos de carbono dopado relativamente barato, que son menos del 1% el costo del platino y son de rendimiento igual o superior. Un artículo publicado recientemente demostró cómo las cargas ambientales cambian al usar nanotubos de carbono como sustrato de carbono para platino.

Gestión del agua y el aire (en PEMFC)

En este tipo de célula de combustible, la membrana debe ser hidratada, exigiendo que el agua se evapore precisamente al mismo ritmo que se produce. Si el agua se evapora demasiado rápidamente, la membrana seca, la resistencia a través de ella aumenta, y eventualmente se rompe, creando un "circuito corto" de gas donde el hidrógeno y el oxígeno se combinan directamente, generando calor que dañará la célula de combustible. Si el agua se evapora demasiado lentamente, los electrodos se inundarán, evitando que los reaccionarios alcancen el catalizador y detengan la reacción. Se están desarrollando métodos para administrar el agua en las células como bombas electroosmóticas centradas en el control de flujo. Al igual que en un motor de combustión, es necesaria una relación estable entre el reaccionante y el oxígeno para mantener la célula de combustible funcionando eficientemente.

Gestión de la temperatura

La misma temperatura debe mantenerse en toda la célula para evitar la destrucción de la célula mediante la carga térmica. Esto es particularmente difícil como el 2H₂ + O₂ → 2H₂O la reacción es altamente exotérmica, por lo que una gran cantidad de calor se genera dentro de la célula de combustible.

Durabilidad, vida útil y requisitos especiales para algún tipo de células

Las aplicaciones de células de combustible estacionarias normalmente requieren más de 40.000 horas de funcionamiento confiable a una temperatura de −35 °C a 40 °C (−31 °F a 104 °F), mientras que las células de combustible automotriz requieren una vida útil de 5.000 horas (el equivalente de 240.000 km o 150.000 millas) bajo temperaturas extremas. La vida útil actual es de 2.500 horas (unos 120.000 km o 75.000 millas). Los motores automotrices también deben ser capaces de comenzar de forma fiable a −30 °C (−22 °F) y tener una alta relación potencia-volumen (típicamente 2,5 kW/L).

Tolerancia de monóxido de carbono limitada de algunos cathodes (no PEDOT).

Pila de combustible de ácido fosfórico

Las pilas de combustible de ácido fosfórico (PAFC) fueron diseñadas e introducidas por primera vez en 1961 por G. V. Elmore y H. A. Tanner. En estas celdas, el ácido fosfórico se utiliza como electrolito no conductor para pasar protones del ánodo al cátodo y obligar a los electrones a viajar del ánodo al cátodo a través de un circuito eléctrico externo. Estas celdas comúnmente trabajan a temperaturas de 150 a 200°C. Esta alta temperatura causará pérdida de calor y energía si el calor no se elimina y utiliza correctamente. Este calor se puede aprovechar para producir vapor para sistemas de aire acondicionado o cualquier otro sistema que consuma energía térmica. El uso de este calor en la cogeneración puede mejorar la eficiencia de las celdas de combustible de ácido fosfórico de un 40 a un 50 % a aproximadamente un 80 %. Dado que la tasa de producción de protones en el ánodo es pequeña, se utiliza platino como catalizador para aumentar esta tasa de ionización. Una desventaja clave de estas celdas es el uso de un electrolito ácido. Esto aumenta la corrosión u oxidación de los componentes expuestos al ácido fosfórico.

Pila de combustible de ácido sólido

Las pilas de combustible de ácido sólido (SAFC) se caracterizan por el uso de un material ácido sólido como electrolito. A bajas temperaturas, los ácidos sólidos tienen una estructura molecular ordenada como la mayoría de las sales. A temperaturas más cálidas (entre 140 y 150 °C para CsHSO₄), algunos ácidos sólidos experimentan una transición de fase para convertirse en "superprotónicos& altamente desordenados. #34; estructuras, lo que aumenta la conductividad en varios órdenes de magnitud. Los primeros SAFC de prueba de concepto se desarrollaron en 2000 utilizando sulfato de hidrógeno de cesio (CsHSO₄). Los sistemas SAFC actuales utilizan fosfato dihidrógeno de cesio (CsH₂PO₄) y han demostrado una vida útil de miles de horas.

Pila de combustible alcalina

La celda de combustible alcalina (AFC) o celda de combustible de hidrógeno y oxígeno fue diseñada y demostrada públicamente por primera vez por Francis Thomas Bacon en 1959. Se utilizó como fuente principal de energía eléctrica en el programa espacial Apolo. La celda consta de dos electrodos de carbono poroso impregnados con un catalizador adecuado como Pt, Ag, CoO, etc. El espacio entre los dos electrodos se llena con una solución concentrada de KOH o NaOH que sirve como electrolito. El gas H₂ y el gas O₂ se burbujean en el electrolito a través de los electrodos de carbón poroso. Por lo tanto, la reacción general implica la combinación de hidrógeno gaseoso y oxígeno gaseoso para formar agua. La celda funciona continuamente hasta que se agota el suministro de reactivo. Este tipo de celda funciona de manera eficiente en el rango de temperatura de 343–413 K y proporciona un potencial de alrededor de 0,9 V. La celda de combustible de membrana de intercambio de aniones alcalinos (AAEMFC) es un tipo de AFC que emplea un electrolito de polímero sólido en lugar de hidróxido de potasio (KOH) acuoso y es superior al AFC acuoso.

Pilas de combustible de alta temperatura

Pila de combustible de óxido sólido

Las celdas de combustible de óxido sólido (SOFC) utilizan un material sólido, más comúnmente un material cerámico llamado circonia estabilizada con itria (YSZ), como electrolito. Debido a que las SOFC están hechas completamente de materiales sólidos, no se limitan a la configuración plana de otros tipos de celdas de combustible y, a menudo, se diseñan como tubos laminados. Requieren altas temperaturas de funcionamiento (800–1000 °C) y pueden funcionar con una variedad de combustibles, incluido el gas natural.

Las SOFC son únicas porque los iones de oxígeno cargados negativamente viajan desde el cátodo (lado positivo de la celda de combustible) al ánodo (lado negativo de la celda de combustible) en lugar de que los protones viajen al revés (es decir, del ánodo al cátodo)., como es el caso en todos los demás tipos de pilas de combustible. El gas oxígeno se alimenta a través del cátodo, donde absorbe electrones para crear iones de oxígeno. Los iones de oxígeno luego viajan a través del electrolito para reaccionar con gas hidrógeno en el ánodo. La reacción en el ánodo produce electricidad y agua como subproductos. El dióxido de carbono también puede ser un subproducto según el combustible, pero las emisiones de carbono de un sistema SOFC son menores que las de una planta de combustión de combustibles fósiles. Las reacciones químicas para el sistema SOFC se pueden expresar de la siguiente manera:

Reacción anoda: 2H₂ + 2O^{2 - 2} → 2H₂O + 4e⁻

Reacción de CathodeO₂ + 4e⁻ → 2O^{2 - 2}

Reacción celular general: 2H₂ + O₂ → 2H₂O

Los sistemas SOFC pueden funcionar con combustibles que no sean gas hidrógeno puro. Sin embargo, dado que el hidrógeno es necesario para las reacciones enumeradas anteriormente, el combustible seleccionado debe contener átomos de hidrógeno. Para que la celda de combustible funcione, el combustible debe convertirse en gas hidrógeno puro. Las SOFC son capaces de reformar internamente hidrocarburos ligeros como el metano (gas natural), el propano y el butano. Estas celdas de combustible se encuentran en una etapa temprana de desarrollo.

Existen desafíos en los sistemas SOFC debido a sus altas temperaturas de funcionamiento. Uno de esos desafíos es la posibilidad de que se acumule polvo de carbono en el ánodo, lo que ralentiza el proceso de reformado interno. Investigación para abordar este "coquización de carbono" Un problema de la Universidad de Pensilvania ha demostrado que el uso de cermet a base de cobre (materiales resistentes al calor hechos de cerámica y metal) puede reducir la coquización y la pérdida de rendimiento. Otra desventaja de los sistemas SOFC es la larga puesta en marcha, lo que hace que las SOFC sean menos útiles para las aplicaciones móviles. A pesar de estas desventajas, una temperatura de operación alta brinda una ventaja al eliminar la necesidad de un catalizador de metal precioso como el platino, lo que reduce el costo. Además, el calor residual de los sistemas SOFC se puede capturar y reutilizar, lo que aumenta la eficiencia general teórica hasta un 80-85 %.

La alta temperatura de funcionamiento se debe en gran medida a las propiedades físicas del electrolito YSZ. A medida que disminuye la temperatura, también lo hace la conductividad iónica de YSZ. Por tanto, para obtener un rendimiento óptimo de la pila de combustible, se requiere una alta temperatura de funcionamiento. Según su sitio web, Ceres Power, un fabricante de pilas de combustible SOFC del Reino Unido, ha desarrollado un método para reducir la temperatura de funcionamiento de su sistema SOFC a 500–600 grados Celsius. Reemplazaron el electrolito YSZ de uso común con un electrolito CGO (óxido de cerio y gadolinio). La temperatura de operación más baja les permite usar acero inoxidable en lugar de cerámica como sustrato de la celda, lo que reduce el costo y el tiempo de puesta en marcha del sistema.

Pila de combustible de carbonato fundido

Las pilas de combustible de carbonato fundido (MCFC) requieren una temperatura de funcionamiento alta, 650 °C (1200 °F), similar a las SOFC. Las MCFC usan sal de carbonato de litio y potasio como electrolito, y esta sal se licua a altas temperaturas, lo que permite el movimiento de carga dentro de la celda, en este caso, iones de carbonato negativos.

Al igual que las SOFC, las MCFC son capaces de convertir el combustible fósil en un gas rico en hidrógeno en el ánodo, lo que elimina la necesidad de producir hidrógeno externamente. El proceso de reforma genera emisiones de CO₂. Los combustibles compatibles con MCFC incluyen gas natural, biogás y gas producido a partir del carbón. El hidrógeno del gas reacciona con los iones de carbonato del electrolito para producir agua, dióxido de carbono, electrones y pequeñas cantidades de otras sustancias químicas. Los electrones viajan a través de un circuito externo creando electricidad y regresan al cátodo. Allí, el oxígeno del aire y el dióxido de carbono reciclado del ánodo reaccionan con los electrones para formar iones de carbonato que reponen el electrolito, completando el circuito. Las reacciones químicas para un sistema MCFC se pueden expresar de la siguiente manera:

Reacción anodaCO₃^{2 - 2} + H₂ → H₂O + CO₂ + 2e⁻

Reacción de CathodeCO₂ + 1⁄2O₂ + 2e⁻ → CO₃^{2 - 2}

Reacción celular general: H₂ + 1⁄2O₂ → H₂O

Al igual que con las SOFC, las desventajas de las MCFC incluyen tiempos de inicio lentos debido a su alta temperatura de funcionamiento. Esto hace que los sistemas MCFC no sean adecuados para aplicaciones móviles, y esta tecnología probablemente se utilizará para fines de celdas de combustible estacionarias. El principal desafío de la tecnología MCFC son las células ' corto periodo de vida. El electrolito de carbonato y alta temperatura conduce a la corrosión del ánodo y el cátodo. Estos factores aceleran la degradación de los componentes MCFC, disminuyendo la durabilidad y la vida útil de la celda. Los investigadores están abordando este problema explorando materiales resistentes a la corrosión para los componentes, así como diseños de celdas de combustible que puedan aumentar la vida útil de las celdas sin disminuir el rendimiento.

Las MCFC tienen varias ventajas sobre otras tecnologías de celdas de combustible, incluida su resistencia a las impurezas. No son propensos a la "coquización de carbono", que se refiere a la acumulación de carbono en el ánodo que da como resultado un rendimiento reducido al ralentizar el proceso interno de reformado del combustible. Por lo tanto, los combustibles ricos en carbono, como los gases derivados del carbón, son compatibles con el sistema. El Departamento de Energía de los Estados Unidos afirma que el carbón, en sí mismo, podría incluso ser una opción de combustible en el futuro, suponiendo que el sistema pueda hacerse resistente a las impurezas como el azufre y las partículas que resultan de convertir el carbón en hidrógeno. Los MCFC también tienen eficiencias relativamente altas. Pueden alcanzar una eficiencia de combustible a electricidad del 50%, considerablemente más alta que la eficiencia del 37-42% de una planta de celdas de combustible de ácido fosfórico. Las eficiencias pueden llegar al 65 % cuando la celda de combustible se combina con una turbina, y al 85 % si el calor se captura y utiliza en un sistema combinado de calor y energía (CHP).

FuelCell Energy, un fabricante de celdas de combustible con sede en Connecticut, desarrolla y vende celdas de combustible MCFC. La compañía dice que sus productos MCFC van desde sistemas de 300 kW a 2,8 MW que logran una eficiencia eléctrica del 47 % y pueden utilizar la tecnología CHP para obtener mayores eficiencias generales. Un producto, el DFC-ERG, se combina con una turbina de gas y, según la empresa, alcanza una eficiencia eléctrica del 65%.

Pila de combustible de almacenamiento eléctrico

La celda de combustible de almacenamiento eléctrico es una batería convencional que se carga mediante la entrada de energía eléctrica, utilizando el efecto electroquímico convencional. Sin embargo, la batería incluye además entradas de hidrógeno (y oxígeno) para cargar alternativamente la batería químicamente.

Comparación de tipos de pilas de combustible

Glosario de términos en la tabla:

Anode

El electrodo en el que se produce la oxidación (una pérdida de electrones). Para las células de combustible y otras células galvánicas, el ánodo es el terminal negativo; para las células electrolíticas (donde ocurre la electrolisis), el ánodo es el terminal positivo.

Solución acuosa

Of, relating to, or resembling water

Hecho de, con o por agua.

Catalyst

Una sustancia química que aumenta la tasa de reacción sin ser consumida; después de la reacción, puede potencialmente ser recuperada de la mezcla de reacción y es químicamente sin cambios. El catalizador reduce la energía de activación necesaria, permitiendo que la reacción proceda más rápido o a una temperatura inferior. En una célula de combustible, el catalizador facilita la reacción de oxígeno e hidrógeno. Por lo general está hecho de polvo de platino muy fino recubierto sobre papel de carbono o tela. El catalizador es áspero y poroso para que la superficie máxima del platino pueda ser expuesta al hidrógeno o al oxígeno. El lado platino del catalizador se enfrenta a la membrana en la célula de combustible.

Cathode

El electrodo en el que se produce la reducción (una ganancia de electrones). Para las células de combustible y otras células galvánicas, el cathode es el terminal positivo; para las células electrolíticas (donde ocurre la electrolisis), el cathode es el terminal negativo.

Electrolito

Una sustancia que conduce iones cargados de un electrodo al otro en una célula de combustible, batería o electrolizador.

pila de células de combustible

Células de combustible individuales conectadas en una serie. Las células de combustible se apilan para aumentar el voltaje.

Matriz

algo dentro o desde el cual algo más origina, desarrolla o toma forma.

Membrane

La capa de separación en una célula de combustible que actúa como electrolito (un ion-exchanger) así como una película de barrera que separa los gases en los compartimentos de ánodo y cátodo de la célula de combustible.

Celda de combustible de carbonato fundido (MCFC)

Un tipo de célula de combustible que contiene un electrolito de carbonato fundido. iones de carbono (CO)₃^{2 - 2}) son transportados desde la cátodo al unnodo. Las temperaturas de funcionamiento suelen estar cerca de 650 °C.

Celda de combustible de ácido fósforo (PAFC)

Un tipo de célula de combustible en la que el electrolito consiste en ácido fósforo concentrado (H)₃PO₄). Los protones (H+) se transportan desde el ánodo hasta la cátodo. El rango de temperatura de funcionamiento es generalmente de 160-220 °C.

Celda de combustible de membrana de intercambio protón (PEM)

Una célula de combustible que incorpora una membrana de polímero sólida utilizada como electrolito. Los protones (H+) se transportan desde el ánodo hasta la cátodo. El rango de temperatura de funcionamiento es generalmente de 60 a 100 °C para la célula de combustible de membrana Proton de baja temperatura (LT-PEMFC). Celda de combustible PEM con temperatura de funcionamiento de 120-200 °C se llama célula de combustible de membrana Proton de alta temperatura (HT-PEMFC).

Celda de combustible de óxido sólido (SOFC)

Un tipo de célula de combustible en la que el electrolito es un óxido de metal sólido y no poroso, típicamente óxido de circonio (ZrO₂) tratado con Y₂O₃, y O^{2 - 2} es transportado desde la cátodo hasta el ánodo. Cualquier CO en el gas reformado se oxida al CO₂ en el ánodo. Las temperaturas de funcionamiento son típicamente de 800 a 1.000 °C.

Solución

Un acto o el proceso por el cual una sustancia sólida, líquida o gaseosa se mezcla homogéneamente con un líquido o a veces un gas o sólido.

Una mezcla homogénea formada por este proceso; especialmente: un sistema líquido monofásico.

La condición de ser disuelto.

Eficiencia de los principales tipos de pilas de combustible

Máxima eficiencia teórica

La eficiencia energética de un sistema o dispositivo que convierte energía se mide por la relación entre la cantidad de energía útil emitida por el sistema ("energía de salida") y la cantidad total de energía que se pone en ("energía de entrada") o por energía útil de salida como porcentaje de la energía total de entrada. En el caso de las pilas de combustible, la energía útil de salida se mide en energía eléctrica producida por el sistema. La energía de entrada es la energía almacenada en el combustible. Según el Departamento de Energía de EE. UU., las celdas de combustible generalmente tienen entre un 40 y un 60 % de eficiencia energética. Esto es más alto que algunos otros sistemas para la generación de energía. Por ejemplo, el motor de combustión interna típico de un automóvil tiene una eficiencia energética de alrededor del 25 %. Las centrales eléctricas de vapor suelen alcanzar eficiencias del 30-40 %, mientras que las centrales de turbinas de gas de ciclo combinado y de vapor pueden alcanzar eficiencias de hasta el 60 %. En los sistemas combinados de calor y electricidad (CHP), el calor residual producido por el ciclo de energía primario, ya sea una celda de combustible, la fisión nuclear o la combustión, se captura y se utiliza, lo que aumenta la eficiencia del sistema hasta un 85-90 %.

La eficiencia máxima teórica de cualquier tipo de sistema de generación de energía nunca se alcanza en la práctica, y no considera otros pasos en la generación de energía, como la producción, el transporte y el almacenamiento de combustible y la conversión de la electricidad en energía mecánica. Sin embargo, este cálculo permite la comparación de diferentes tipos de generación de energía. La eficiencia máxima teórica de una pila de combustible se acerca al 100%, mientras que la eficiencia máxima teórica de los motores de combustión interna es de aproximadamente el 58%.

En la práctica

Se dan valores desde 40 % para pilas de combustible ácidas, 50 % para carbonato fundido, hasta 60 % para pilas de combustible alcalinas, de óxido sólido y PEM.

Las celdas de combustible no pueden almacenar energía como una batería, excepto como hidrógeno, pero en algunas aplicaciones, como plantas de energía independientes basadas en fuentes discontinuas como la energía solar o eólica, se combinan con electrolizadores y sistemas de almacenamiento para formar un sistema de almacenamiento de energía. A partir de 2019, el 90 % del hidrógeno se usó para refinar petróleo, productos químicos y producción de fertilizantes (donde se requiere hidrógeno para el proceso Haber-Bosch), y el 98 % del hidrógeno se produce mediante el reformado de metano con vapor, que emite dióxido de carbono. La eficiencia general (de electricidad a hidrógeno y de regreso a electricidad) de tales plantas (conocida como eficiencia de ida y vuelta), que usan hidrógeno puro y oxígeno puro puede ser "del 35 al 50 por ciento&# 34;, dependiendo de la densidad del gas y otras condiciones. El sistema electrolizador/célula de combustible puede almacenar cantidades indefinidas de hidrógeno y, por lo tanto, es adecuado para el almacenamiento a largo plazo.

Las pilas de combustible de óxido sólido producen calor a partir de la recombinación del oxígeno y el hidrógeno. La cerámica puede funcionar tan caliente como 800 grados centígrados. Este calor se puede capturar y utilizar para calentar agua en una aplicación de microcogeneración de calor y energía (m-CHP). Cuando se captura el calor, la eficiencia total puede alcanzar el 80-90 % en la unidad, pero no considera las pérdidas de producción y distribución. Actualmente se están desarrollando unidades CHP para el mercado interno europeo.

El profesor Jeremy P. Meyers, en la revista Interface de la Sociedad Electroquímica en 2008, escribió: "Si bien las celdas de combustible son eficientes en comparación con los motores de combustión, no son tan eficientes como las baterías, principalmente debido a la ineficiencia de la reacción de reducción de oxígeno (y... la reacción de evolución de oxígeno, en caso de que el hidrógeno se forme por electrólisis del agua)... [E]stos tienen más sentido para el funcionamiento desconectado de la red, o cuando el combustible se puede proporcionar de forma continua. Para aplicaciones que requieren arranques frecuentes y relativamente rápidos... donde las emisiones cero son un requisito, como en espacios cerrados como almacenes, y donde el hidrógeno se considera un reactivo aceptable, una [pila de combustible PEM] se está convirtiendo en una opción cada vez más atractiva. [si cambiar las baterías no es conveniente]". En 2013, las organizaciones militares estaban evaluando las celdas de combustible para determinar si podían reducir significativamente el peso de la batería que llevaban los soldados.

En vehículos

En un vehículo de pila de combustible, la eficiencia del depósito a la rueda es superior al 45 % con cargas bajas y muestra valores medios de alrededor del 36 % cuando se utiliza como procedimiento de prueba un ciclo de conducción como el NEDC (Nuevo ciclo de conducción europeo). El valor NEDC comparable para un vehículo diésel es del 22 %. En 2008, Honda lanzó un vehículo eléctrico de pila de combustible de demostración (el Honda FCX Clarity) con una pila de combustible que aseguraba una eficiencia del 60% del tanque a la rueda.

También es importante tener en cuenta las pérdidas debidas a la producción, el transporte y el almacenamiento de combustible. Los vehículos con celdas de combustible que funcionan con hidrógeno comprimido pueden tener una eficiencia de la central eléctrica a la rueda del 22 % si el hidrógeno se almacena como gas a alta presión y del 17 % si se almacena como hidrógeno líquido.

Aplicaciones

Submarino tipo 212 con propulsión de células de combustible. Este ejemplo en muelle seco es operado por la Marina Alemana.

Poder

Las celdas de combustible estacionarias se utilizan para la generación de energía primaria y de respaldo comercial, industrial y residencial. Las celdas de combustible son muy útiles como fuentes de energía en lugares remotos, como naves espaciales, estaciones meteorológicas remotas, grandes parques, centros de comunicaciones, lugares rurales, incluidas estaciones de investigación, y en ciertas aplicaciones militares. Un sistema de pila de combustible que funcione con hidrógeno puede ser compacto y ligero, y no tener piezas móviles importantes. Debido a que las celdas de combustible no tienen partes móviles y no involucran combustión, en condiciones ideales pueden lograr hasta un 99.9999% de confiabilidad. Esto equivale a menos de un minuto de tiempo de inactividad en un período de seis años.

Dado que los sistemas de electrolizadores de celdas de combustible no almacenan combustible en sí mismos, sino que dependen de unidades de almacenamiento externas, se pueden aplicar con éxito en el almacenamiento de energía a gran escala, siendo las áreas rurales un ejemplo. Hay muchos tipos diferentes de celdas de combustible estacionarias, por lo que las eficiencias varían, pero la mayoría tiene entre un 40 % y un 60 % de eficiencia energética. Sin embargo, cuando el calor residual de la pila de combustible se utiliza para calentar un edificio en un sistema de cogeneración, esta eficiencia puede aumentar hasta el 85 %. Esto es significativamente más eficiente que las centrales eléctricas de carbón tradicionales, que son solo alrededor de un tercio de eficiencia energética. Suponiendo una producción a escala, las celdas de combustible podrían ahorrar entre un 20 % y un 40 % en costos de energía cuando se usan en sistemas de cogeneración. Las celdas de combustible también son mucho más limpias que la generación de energía tradicional; una planta de energía de pila de combustible que utilice gas natural como fuente de hidrógeno generaría menos de una onza de contaminación (aparte del CO₂) por cada 1,000 kW·h producidos, en comparación con las 25 libras de contaminantes generados por los sistemas de combustión convencionales. Las pilas de combustible también producen un 97 % menos de emisiones de óxido de nitrógeno que las centrales eléctricas de carbón convencionales.

Uno de estos programas piloto está operando en Stuart Island en el estado de Washington. Allí, la Iniciativa de Energía de Stuart Island ha construido un sistema completo de circuito cerrado: los paneles solares alimentan un electrolizador, que produce hidrógeno. El hidrógeno se almacena en un tanque de 500 galones estadounidenses (1900 L) a 200 libras por pulgada cuadrada (1400 kPa) y funciona con una celda de combustible ReliOn para proporcionar respaldo eléctrico completo a la residencia fuera de la red. Otro bucle de sistema cerrado se dio a conocer a fines de 2011 en Hempstead, Nueva York.

Las celdas de combustible se pueden usar con gas de baja calidad de vertederos o plantas de tratamiento de aguas residuales para generar energía y reducir las emisiones de metano. Se dice que una planta de celdas de combustible de 2,8 MW en California es la más grande de su tipo. Se están desarrollando celdas de combustible a pequeña escala (por debajo de 5kWhr) para su uso en despliegues residenciales fuera de la red.

Cogeneración

Los sistemas de celdas de combustible combinados de calor y energía (CHP), incluidos los microsistemas combinados de calor y energía (MicroCHP), se utilizan para generar electricidad y calor para los hogares (ver celda de combustible para el hogar), edificios de oficinas y fábricas. El sistema genera energía eléctrica constante (vendiendo el exceso de energía a la red cuando no se consume), y al mismo tiempo produce aire caliente y agua a partir del calor residual. Como resultado, los sistemas CHP tienen el potencial de ahorrar energía primaria ya que pueden utilizar el calor residual que generalmente es rechazado por los sistemas de conversión de energía térmica. Un rango de capacidad típico de una celda de combustible doméstica es de 1–3 kW_el, 4–8 kW_th. Los sistemas CHP vinculados a enfriadores de absorción utilizan su calor residual para la refrigeración.

El calor residual de las celdas de combustible se puede desviar durante el verano directamente al suelo, proporcionando más refrigeración, mientras que el calor residual durante el invierno se puede bombear directamente al edificio. La Universidad de Minnesota posee los derechos de patente de este tipo de sistema.

Los sistemas de cogeneración pueden alcanzar una eficiencia del 85 % (40-60 % eléctrica y el resto térmica). Las celdas de combustible de ácido fosfórico (PAFC) comprenden el segmento más grande de productos CHP existentes en todo el mundo y pueden proporcionar eficiencias combinadas cercanas al 90%. El carbonato fundido (MCFC) y las celdas de combustible de óxido sólido (SOFC) también se utilizan para la generación combinada de calor y energía y tienen eficiencias de energía eléctrica de alrededor del 60%. Las desventajas de los sistemas de cogeneración incluyen velocidades lentas de aumento y disminución, alto costo y corta vida útil. También su necesidad de tener un tanque de almacenamiento de agua caliente para suavizar la producción de calor térmico fue una seria desventaja en el mercado doméstico donde el espacio en las propiedades domésticas es muy importante.

Los consultores de Delta-ee declararon en 2013 que con el 64 % de las ventas globales, el calor y la electricidad microcombinados de celdas de combustible superaron a los sistemas convencionales en ventas en 2012. El proyecto japonés ENE FARM indicó que se instalaron 34.213 PEMFC y 2.224 SOFC en el período 2012-2014, 30.000 unidades de GNL y 6.000 de GLP.

Vehículos eléctricos de pila de combustible (FCEV)

Configuración de componentes en un coche de célula de combustible

Toyota Mirai

Elemento Un vehículo de pila de combustible

Automóviles

A finales de 2019, se habían arrendado o vendido alrededor de 18 000 FCEV en todo el mundo. Se han presentado tres vehículos eléctricos de pila de combustible para arrendamiento comercial y venta: el Honda Clarity, el Toyota Mirai y el Hyundai ix35 FCEV. Los modelos de demostración adicionales incluyen el Honda FCX Clarity y el Mercedes-Benz F-Cell. Hasta junio de 2011, los FCEV de demostración habían recorrido más de 4 800 000 km (3 000 000 mi), con más de 27 000 recargas de combustible. Los vehículos eléctricos de pila de combustible tienen una autonomía media de 505 km (314 mi) entre repostajes. Se pueden repostar en menos de 5 minutos. El Programa de Tecnología de Celdas de Combustible del Departamento de Energía de EE. UU. establece que, a partir de 2011, las celdas de combustible lograron una eficiencia del 53 al 59 % a un cuarto de potencia y una eficiencia del vehículo del 42 al 53 % a plena potencia, y una durabilidad de más de 120 000 km (75 000 mi) con menos del 10 % de degradación. En un análisis de simulación Well-to-Wheels de 2017 que "no abordó las limitaciones económicas y de mercado", General Motors y sus socios estimaron que, para un viaje equivalente, un vehículo eléctrico de pila de combustible que funcione con hidrógeno gaseoso comprimido producido a partir de gas natural podría utilizar un 40% menos de energía y emitir un 45% menos de gases de efecto invernadero que un vehículo de combustión interna.

En 2015, Toyota presentó su primer vehículo de celda de combustible, el Mirai, a un precio de $57,000. Hyundai presentó el Hyundai ix35 FCEV de producción limitada bajo un contrato de arrendamiento. En 2016, Honda comenzó a arrendar el Honda Clarity Fuel Cell. En 2020, Toyota presentó la segunda generación de su marca Mirai, mejorando la eficiencia de combustible y ampliando el alcance en comparación con el modelo Sedan 2014 original.

Crítica

Algunos comentaristas creen que los coches de pila de combustible de hidrógeno nunca serán económicamente competitivos con otras tecnologías o que les llevará décadas volverse rentables. Elon Musk, CEO del fabricante de vehículos eléctricos a batería Tesla Motors, afirmó en 2015 que las celdas de combustible para uso en automóviles nunca serán comercialmente viables debido a la ineficiencia de producir, transportar y almacenar hidrógeno y la inflamabilidad del gas, entre otras razones. En 2012, Lux Research, Inc. emitió un informe que decía: "El sueño de una economía de hidrógeno... no está más cerca". Llegó a la conclusión de que "El costo de capital... limitará la adopción a solo 5,9 GW" para 2030, proporcionando "una barrera casi insuperable para la adopción, excepto en aplicaciones de nicho". El análisis concluyó que, para 2030, el mercado estacionario de PEM alcanzará los $ 1 mil millones, mientras que el mercado de vehículos, incluidos los montacargas, alcanzará un total de $ 2 mil millones. Otros análisis citan la falta de una infraestructura extensa de hidrógeno en los EE. UU. como un desafío continuo para la comercialización de vehículos eléctricos de celda de combustible.

En 2014, Joseph Romm, autor de The Hype About Hydrogen (2005), dijo que los FCV aún no habían superado el alto costo de combustible, la falta de infraestructura de suministro de combustible y la contaminación causada por produciendo hidrógeno. "Se necesitarían varios milagros para superar todos esos problemas simultáneamente en las próximas décadas". Llegó a la conclusión de 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, CleanTechnica enumeró algunas de las desventajas de los vehículos con celdas de combustible de hidrógeno. Lo mismo hizo Car Throttle. Un video de 2019 de Real Engineering señaló que, a pesar de la introducción de vehículos que funcionan con hidrógeno, el uso de hidrógeno como combustible para automóviles no ayuda a reducir las emisiones de carbono del transporte. El 95 % del hidrógeno que todavía se produce a partir de combustibles fósiles libera dióxido de carbono, y producir hidrógeno a partir del agua es un proceso que consume energía. Almacenar hidrógeno requiere más energía, ya sea para enfriarlo hasta el estado líquido o para colocarlo en tanques a alta presión, y entregar el hidrógeno a las estaciones de servicio requiere más energía y puede liberar más carbono. El hidrógeno necesario para mover un FCV por kilómetro cuesta aproximadamente 8 veces más que la electricidad necesaria para mover un BEV la misma distancia.

Una evaluación de 2020 concluyó que los vehículos de hidrógeno siguen siendo solo un 38 % eficientes, mientras que los vehículos eléctricos con batería tienen una eficiencia del 80 %. En 2021, CleanTechnica concluyó que, si bien los automóviles de hidrógeno son mucho menos eficientes que los eléctricos, la gran mayoría del hidrógeno que se produce es hidrógeno gris contaminante, y entregar hidrógeno requeriría construir una nueva infraestructura enorme y costosa, el resto dos "ventajas de los vehículos con celdas de combustible (mayor autonomía y tiempos rápidos de abastecimiento de combustible) se están erosionando rápidamente debido a la mejora de la tecnología de batería y carga." Un estudio de 2022 en Nature Electronics estuvo de acuerdo.

Autobuses

Toyota FCHV-BUS en la Expo 2005

En agosto de 2011, había alrededor de 100 autobuses de pila de combustible en servicio en todo el mundo. La mayoría de estos fueron fabricados por UTC Power, Toyota, Ballard, Hydrogenics y Proton Motor. Los autobuses de UTC habían recorrido más de 970 000 km (600 000 mi) en 2011. Los autobuses de pila de combustible tienen entre un 39 % y un 141 % más de ahorro de combustible que los autobuses diésel y los autobuses de gas natural.

A partir de 2019, el NREL estaba evaluando varios proyectos de autobuses de celdas de combustible actuales y planificados en los EE. UU.

Trenes

En 2018, los primeros trenes impulsados por celdas de combustible, las unidades múltiples Alstom Coradia iLint, comenzaron a operar en la línea Buxtehude–Bremervörde–Bremerhaven–Cuxhaven en Alemania. Estos trenes ofrecen las ventajas de los trenes eléctricos sobre las locomotoras diésel y DMU en la eliminación de las emisiones de chimeneas de los propios trenes sin el uso de la electrificación por infraestructura de catenaria aérea. Dichos trenes se han pedido o se están probando en Suecia y el Reino Unido.

Camiones

En diciembre de 2020, Toyota y Hino Motors, junto con Seven-Eleven (Japón), FamilyMart y Lawson anunciaron que acordaron considerar conjuntamente la introducción de camiones eléctricos de celda de combustible de servicio ligero (FCET de servicio ligero). Lawson comenzó a probar la entrega a baja temperatura a fines de julio de 2021 en Tokio, utilizando un Hino Dutro en el que se implementa la celda de combustible Toyota Mirai. FamilyMart comenzó a realizar pruebas en la ciudad de Okazaki.

En agosto de 2021, Toyota anunció su plan para fabricar módulos de celdas de combustible en su planta de ensamblaje de automóviles de Kentucky para su uso en camiones grandes y vehículos comerciales pesados de cero emisiones. Planean comenzar a ensamblar los dispositivos electroquímicos en 2023.

En octubre de 2021, el camión basado en celdas de combustible de Daimler Truck recibió la aprobación de las autoridades alemanas para su uso en vías públicas.

Carretillas elevadoras

Un montacargas de pila de combustible (también llamado montacargas de pila de combustible) es un montacargas industrial accionado por pila de combustible que se utiliza para levantar y transportar materiales. En 2013, se utilizaron más de 4000 carretillas elevadoras de pila de combustible en la manipulación de materiales en los EE. UU., de las cuales 500 recibieron financiación del DOE (2012). Las flotas de celdas de combustible son operadas por varias compañías, incluidas Sysco Foods, FedEx Freight, GENCO (en Wegmans, Coca-Cola, Kimberly Clark y Whole Foods) y H-E-B Grocers. Europa demostró 30 carretillas elevadoras de pila de combustible con Hylift y las amplió con HyLIFT-EUROPE a 200 unidades, con otros proyectos en Francia y Austria. Pike Research proyectó en 2011 que las carretillas elevadoras impulsadas por celdas de combustible serían el mayor impulsor de la demanda de combustible de hidrógeno para 2020.

La mayoría de las empresas en Europa y EE. UU. no utilizan carretillas elevadoras de petróleo, ya que estos vehículos trabajan en interiores donde se deben controlar las emisiones y, en su lugar, utilizan carretillas elevadoras eléctricas. Los montacargas alimentados por celdas de combustible pueden brindar beneficios sobre los montacargas alimentados por batería, ya que pueden reabastecerse de combustible en 3 minutos y pueden usarse en almacenes refrigerados, donde su rendimiento no se ve afectado por temperaturas más bajas. Las unidades FC a menudo se diseñan como reemplazos directos.

Motocicletas y bicicletas

En 2005, un fabricante británico de pilas de combustible impulsadas por hidrógeno, Intelligent Energy (IE), produjo la primera motocicleta funcional impulsada por hidrógeno llamada ENV (Emission Neutral Vehicle). La motocicleta tiene suficiente combustible para funcionar durante cuatro horas y viajar 160 km (100 mi) en un área urbana, a una velocidad máxima de 80 km/h (50 mph). En 2004, Honda desarrolló una motocicleta de pila de combustible que utilizaba el Honda FC Stack.

Otros ejemplos de motocicletas y bicicletas que usan celdas de combustible de hidrógeno incluyen el scooter de la compañía taiwanesa APFCT que usa el sistema de combustible de Acta SpA de Italia y el scooter Suzuki Burgman con una celda de combustible IE que recibió EU Whole Aprobación de tipo de vehículo en 2011. Suzuki Motor Corp. e IE han anunciado una empresa conjunta para acelerar la comercialización de vehículos de cero emisiones.

Aviones

En 2003, voló el primer avión propulsado por hélice del mundo que funcionaba completamente con una pila de combustible. La celda de combustible era un diseño de pila que permitía integrar la celda de combustible con las superficies aerodinámicas del avión. Los vehículos aéreos no tripulados (UAV) propulsados por celdas de combustible incluyen un UAV de celdas de combustible Horizon que estableció el récord de distancia volada para un UAV pequeño en 2007. Los investigadores de Boeing y los socios de la industria en toda Europa realizaron pruebas de vuelo experimentales en febrero de 2008 de un avión tripulado propulsado únicamente por una pila de combustible y baterías ligeras. El avión de demostración de pila de combustible, como se le llamó, utilizó un sistema híbrido de pila de combustible/batería de iones de litio de membrana de intercambio de protones (PEM) para impulsar un motor eléctrico, que estaba acoplado a una hélice convencional.

En 2009, el Ion Tiger del Laboratorio de Investigación Naval (NRL) utilizó una pila de combustible impulsada por hidrógeno y voló durante 23 horas y 17 minutos. Las celdas de combustible también se están probando y considerando para proporcionar energía auxiliar en los aviones, reemplazando los generadores de combustibles fósiles que se usaban anteriormente para arrancar los motores y alimentar las necesidades eléctricas a bordo, al tiempo que reducen las emisiones de carbono. En 2016, un dron Raptor E1 realizó un vuelo de prueba exitoso utilizando una celda de combustible que era más liviana que la batería de iones de litio que reemplazó. El vuelo duró 10 minutos a una altitud de 80 metros (260 pies), aunque, según los informes, la celda de combustible tenía suficiente combustible para volar durante dos horas. El combustible estaba contenido en aproximadamente 100 gránulos sólidos de 1 centímetro cuadrado (0,16 pulgadas cuadradas) compuestos de un químico patentado dentro de un cartucho sin presión. Los gránulos son físicamente robustos y funcionan a temperaturas de hasta 50 °C (122 °F). La celda era de Arcola Energy.

Lockheed Martin Skunk Works Stalker es un UAV eléctrico propulsado por una pila de combustible de óxido sólido.

Barcos

El primer barco de pila de combustible certificado del mundo (HYDRA), en Leipzig/Alemania

En Noruega, el primer transbordador propulsado por celdas de combustible que funcionan con origen líquido está programado para sus primeras pruebas de manejo en diciembre de 2022.

Submarinos

Los submarinos Tipo 212 de las armadas alemana e italiana utilizan pilas de combustible para permanecer sumergidos durante semanas sin necesidad de salir a la superficie.

El U212A es un submarino no nuclear desarrollado por el astillero naval alemán Howaldtswerke Deutsche Werft. El sistema consta de nueve celdas de combustible PEM, que proporcionan entre 30 kW y 50 kW cada una. El barco es silencioso, lo que le da una ventaja en la detección de otros submarinos. Un documento naval ha teorizado sobre la posibilidad de un híbrido de celda de combustible nuclear mediante el cual la celda de combustible se usa cuando se requieren operaciones silenciosas y luego se repone desde el reactor nuclear (y agua).

Sistemas de energía portátiles

Los sistemas de celdas de combustible portátiles generalmente se clasifican como aquellos que pesan menos de 10 kg y proporcionan una potencia de menos de 5 kW. El tamaño del mercado potencial para las celdas de combustible más pequeñas es bastante grande, con una tasa de crecimiento potencial de hasta el 40% anual y un tamaño de mercado de alrededor de $ 10 mil millones, lo que lleva a que se dedique una gran cantidad de investigación al desarrollo de celdas de energía portátiles. Dentro de este mercado se han identificado dos grupos. El primero es el mercado de las celdas de microcombustible, en el rango de 1 a 50 W para alimentar dispositivos electrónicos más pequeños. El segundo es la gama de generadores de 1-5 kW para la generación de energía a mayor escala (por ejemplo, puestos militares, campos petroleros remotos).

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 celdas de combustible sobre una batería de iones de litio, para todo el sistema. Para una batería, este sistema incluye el cargador y la propia batería. Para la celda de combustible, este sistema incluiría la celda, el combustible necesario y los accesorios periféricos. Teniendo en cuenta el sistema completo, se ha demostrado que las pilas de combustible proporcionan 530 Wh/kg en comparación con los 44 Wh/kg de las baterías de iones de litio. Sin embargo, aunque el peso de los sistemas de celdas de combustible ofrece una clara ventaja, los costos actuales no están a su favor. mientras que un sistema de batería generalmente costará alrededor de $ 1.20 por Wh, los sistemas de celdas de combustible cuestan alrededor de $ 5 por Wh, lo que los coloca en una desventaja significativa.

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. La demanda de mayor tiempo de funcionamiento en teléfonos y computadoras es algo que los consumidores exigen a menudo, por lo que las celdas de combustible podrían comenzar a avanzar en los mercados de computadoras portátiles y teléfonos celulares. El precio seguirá bajando a medida que se siga acelerando el desarrollo de las pilas de combustible. Las estrategias actuales para mejorar las micropilas de combustible son mediante el uso de nanotubos de carbono. Fue demostrado por Girishkumar et al. que depositar nanotubos en las superficies de los electrodos permite un área de superficie sustancialmente mayor aumentando la tasa de reducción de oxígeno.

Las celdas de combustible para uso en operaciones a mayor escala también son muy prometedoras. Los sistemas de energía portátiles que usan celdas de combustible se pueden usar en el sector recreativo (es decir, vehículos recreativos, cabañas, marinos), el sector industrial (es decir, energía para ubicaciones remotas, incluidos pozos de gas/petróleo, torres de comunicación, seguridad, estaciones meteorológicas) y en el sector militar. SFC Energy es un fabricante alemán de celdas de combustible de metanol directo para una variedad de sistemas de energía portátiles. Ensol Systems Inc. es un integrador de sistemas de energía portátiles que utiliza SFC Energy DMFC. La principal ventaja de las pilas de combustible en este mercado es la gran generación de energía por peso. Si bien las celdas de combustible pueden ser costosas, para ubicaciones remotas que requieren energía confiable, las celdas de combustible tienen una gran potencia. Para una excursión de 72 h, la comparación en peso es sustancial, con una celda de combustible que solo pesa 15 libras en comparación con las 29 libras de baterías necesarias para la misma energía.

Otras aplicaciones

• Suministro de energía para estaciones de base o sitios celulares
• Generación distribuida
• Los sistemas de energía de emergencia son un tipo de sistema de células de combustible, que puede incluir iluminación, generadores y otros aparatos, para proporcionar recursos de respaldo en una crisis o cuando los sistemas ordinarios fallan. Encuentran usos en una amplia variedad de entornos desde hogares residenciales a hospitales, laboratorios científicos, centros de datos,
• Equipo de telecomunicaciones y naves navales modernas.
• Una fuente de alimentación ininterrumpida (UPS) proporciona energía de emergencia y, dependiendo de la topología, proporciona regulación de línea y equipos conectados suministrando energía de una fuente separada cuando el poder de la utilidad no está disponible. A diferencia de un generador de reserva, puede proporcionar protección instantánea de una interrupción de energía momentánea.
• Plantas de carga base
• Vehículos híbridos, emparejando la célula de combustible con un ICE o una batería.
• Computadoras portátiles para aplicaciones donde la carga AC puede no estar fácilmente disponible.
• Patillos de carga portátiles para electrónica pequeña (por ejemplo, un clip de cinturón que carga un teléfono celular o PDA).
• Smartphones, laptops y tabletas.
• Pequeños aparatos de calefacción
• Conservación de alimentos, alcanzada mediante el agotamiento del oxígeno y manteniendo automáticamente el agotamiento del oxígeno en un recipiente de transporte, que contiene, por ejemplo, pescado fresco.
• Breathalyzers, donde la cantidad de tensión generada por una célula de combustible se utiliza para determinar la concentración de combustible (alcohol) en la muestra.
• Detector de monóxido de carbono, sensor electroquímico.

Estaciones de servicio

Estación de carga de hidrógeno.

Según FuelCellsWorks, un grupo industrial, a fines de 2019, 330 estaciones de servicio 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 estos 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.

Mercados y economía

En 2012, los ingresos de la industria de celdas de combustible superaron el valor de mercado de mil millones de dólares en todo el mundo, y los países del Pacífico asiático enviaron más de 3/4 de los sistemas de celdas de combustible en todo el mundo. Sin embargo, a partir de enero de 2014, ninguna empresa pública de la industria se había vuelto rentable. Se enviaron 140 000 pilas de celdas de combustible a nivel mundial en 2010, frente a los 11 000 envíos de 2007, y de 2011 a 2012, los envíos de celdas de combustible en todo el mundo tuvieron una tasa de crecimiento anual del 85 %. Tanaka Kikinzoku amplió sus instalaciones de fabricación en 2011. Aproximadamente el 50% de los envíos de celdas de combustible en 2010 fueron celdas de combustible estacionarias, frente a un tercio en 2009, y los cuatro productores dominantes en la industria de celdas de combustible fueron Estados Unidos, Alemania, Japón y Corea del Sur. La Alianza de Conversión de Energía de Estado Sólido del Departamento de Energía encontró que, a partir de enero de 2011, las celdas de combustible estacionarias generaron energía a aproximadamente $724 a $775 por kilovatio instalado. En 2011, Bloom Energy, un importante proveedor de celdas de combustible, dijo que sus celdas de combustible generaban energía a 9-11 centavos por kilovatio-hora, incluido el precio del combustible, el mantenimiento y el hardware.

Los grupos de la industria predicen que existen suficientes recursos de platino para la demanda futura y, en 2007, una investigación en el Laboratorio Nacional de Brookhaven sugirió que el platino podría reemplazarse por un recubrimiento de oro y paladio, que puede ser menos susceptible al envenenamiento y, por lo tanto, mejorar las celdas de combustible. toda la vida. Otro método usaría hierro y azufre en lugar de platino. Esto reduciría el costo de una celda de combustible (ya que el platino en una celda de combustible regular cuesta alrededor de USD 1500, y la misma cantidad de hierro cuesta solo alrededor de US$1.50). El concepto estaba siendo desarrollado por una coalición del Centro John Innes y la Universidad de Milán-Bicocca. Los cátodos PEDOT son inmunes al envenenamiento por monóxido.

En 2016, Samsung "decidió abandonar los proyectos comerciales relacionados con las pilas de combustible, ya que las perspectivas del mercado 'no son buenas".

Investigación y desarrollo

• 2005: Investigadores del Instituto Tecnológico de Georgia utilizaron triazol para elevar la temperatura de funcionamiento de las células de combustible PEM de menos de 100 °C a más de 125 °C, afirmando que esto requerirá menos purificación de carbono-monóxido de combustible de hidrógeno.
• 2008: Monash University, Melbourne utilizó PEDOT como cathode.
• 2009: Investigadores de la Universidad de Dayton, en Ohio, demostraron que se podrían utilizar arrays de nanotubos de carbono cultivados verticalmente como catalizador en las células de combustible. El mismo año, se demostró un catalizador de niquel bisdifosfina para las células de combustible.
• 2013: La firma británica ACAL Energy desarrolló una célula de combustible que dijo que puede funcionar durante 10.000 horas en condiciones de conducción simuladas. Afirmó que el costo de la construcción de células de combustible puede reducirse a 40 dólares/kW (unos 9.000 dólares para 300 HP).
• 2014: Los investigadores del Imperial College de Londres desarrollaron un nuevo método para la regeneración del sulfuro de hidrógeno contaminado PEFC. Recuperó el 95-100% del rendimiento original de un sulfuro de hidrógeno contaminado PEFC. Ellos tuvieron éxito en rejuvenecer un SO₂ PEFC contaminado también. Este método de regeneración es aplicable a múltiples pilas de células.