Pila de combustible

De Viquipèdia
Dreceres ràpides: navegació, cerca
Pila d'hidrogen. La cel·la és ella mateixa l'estructura cúbica del centre de la imatge

Formalment es considera que una pila o cel·la de combustible és un generador electroquímic d'energia on el treball elèctric s'obté a partir d'una reacció química que només es produeix en un determinat sentit i a la qual els reactius (combustible i oxidant) es troben a l'exterior de la pila pròpiament dita. El treball es produeix mentre hi hagi flux dels reactius.

El fet que es necessiti un flux continu de reactius és una de les principals diferències amb les bateries convencionals.

Els reactius típics utilitzats en una cel·la de combustible són hidrogen en el costat de l'ànode i oxigen en el costat del càtode (si es tracta d'una cel·la d'hidrogen). Per altra banda les bateries convencionals consumeixen reactius sòlids i, una vegada que s'han esgotat, ha d'ésser eliminada o recarregada amb electricitat. Generalment, els reactius "flueixen cap a dintre" i els productes de la reacció "flueixen cap a fora". L'operació a llarg termini virtualment contínua és factible mentre es mantinguin aquests fluxos.


Tecnologia[modifica | modifica el codi]

Esquema de funcionament d'una pila de combustible.

A l'exemple típic d'una membrana intercanviadora de protons (o electròlit polimèric) hidrogen/oxigen d'una cel·la de combustible (PEMFC, en anglès: proton exchange membrane fuel cell), una membrana polimèrica conductora de protons, l'electròlit, separa el costat de l'ànode del costat del càtode. En el costat de l'ànode, l'hidrogen espargit a l'ànode catalitzador es dissocia en protons i electrons. Els protons són conduïts a través de la membrana al càtode, però els electrons són forçats a viatjar per un circuit extern (produint energia) ja que la membrana està aïllada elèctricament.

En el catalitzador del càtode, les molècules de l'oxigen reaccionen amb els electrons (conduïts a través del circuit extern) i protons per a formar l'aigua. En aquest exemple, l'únic residu és vapor d'aigua o aigua líquida. A més d'hidrogen pur, també es té l'hidrogen contingut en altres molècules de combustibles incloent el dièsel, metanol i els hidrurs químics, el residu produït per aquest tipus de combustibles, a més d'aigua, és diòxid de carboni, entre uns altres.

Voltatge[modifica | modifica el codi]

Una cel·la de combustible típica produeix aproximadament 0,8 volts. Per crear més voltatge les cel·les s'agrupen combinant-les en sèrie o en paral·lel en un sistema que es diu Fuel Cell Stack en anglès: apilat de cel·les de combustible. El nombre de cel·les usades és generalment superior a 45 i varia segons el disseny.

Materials[modifica | modifica el codi]

Els materials usats en cel·les de combustible varien segons el tipus. (Vegeu cel·la de combustible#Tipus de cel·les de combustible). Les plaques de l'elèctrode bipolar es fan generalment de metall, de níquel o amb nanotubs de carboni i són cobertes per un catalitzador (que pot ser el Platí o Pal·ladi) per a aconseguir una eficàcia més alta.

L'electròlit pot ser de ceràmica o bé una membrana.


Consideracions de disseny a les cel·les de combustible[modifica | modifica el codi]

  • Costs. En 2002, les cel·les típiques tenien un cost alt a causa del catalitzador de 850 (aproximadament 1000 USD) per KW d'energia elèctrica útil, no obstant això s'espera que abans de 2007, sigui reduïda a uns 25 € (aproximadament 30 USD) per KW %[1]. Ballard ha aconseguit, gràcies a un catalitzador, millorat amb seda de carboni (carbon silk) una reducció del 30% (1 mg/cm² a 0,7 mg/cm²) de la quantitat de platí sense una reducció en rendiment (informació de 2005)%[2]
Els costs del MEA (Membrane Electrode Assembly, en anglès: muntatge de l'elèctrode de la membrana) del PEM (membrana intercambiadora de protons) varien segons el fabricant. Així, la membrana de Nafion®, aproximadament 400 /m², utilitzada en la membrana PEM de Toyota i 3M està sent substituïda per la membrana de la ITM Power, amb un preu al voltant de 4€/m² (2004). Aquesta membrana nova és un polímer d'hidrocarbur. Una companyia holandesa que ha realitzat grans inversions en aquest terreny està utilitzant Solupor® (un film de polietilè porós)%[3].


  • Gestió de l'aigua en les PEMFC. En aquest tipus de cel·les de combustible, la membrana ha d'hidratar-se, requerint evaporar l'aigua exactament en la mateixa mesura que aquesta és produïda. Si l'aigua s'evapora massa ràpid, la membrana s'asseca, la resistència a través d'ella augmenta, i s'esquerdarà, creant un "curt circuit" de gas on l'hidrogen i l'oxigen es combinen directament, generant calor que danyarà la cel·la de combustible. Si l'aigua s'evapora massa lentament, els elèctrodes s'inundaran, evitant que els reactius puguin arribar al catalitzador i es detindrà la reacció. Els mètodes per a disposar d'excés de l'aigua estan sent desenvolupats per les companyies que investiguen les cel·les de combustible.
  • Gestió de la temperatura. S'ha de mantenir la mateixa temperatura en tota la cel·la per tal d'evitar la destrucció de la cel·la per fatiga tèrmica.
  • Control de flux. Igual que a un motor de combustió, cal mantenir un quocient constant entre el reactiu i l'oxigen perquè la cel·la funcioni eficientment.
  • Durabilitat, vida, i requisits especials per a certs tipus de cel·les. Les utilitzacions immòbils requereixen normalment més de 40.000 hores operatives fiables a una temperatura de -35 °C a 40 °C, mentre que les cel·les automotrius de combustible requereixen una esperança de vida de 5.000 hores (l'equivalent de 150.000 milles) sota temperatures extremes. (Vegeu: Vehicle d'hidrogen). Les utilitzacions automotrius, a més de poder arrencar amb fiabilitat a -30 °C, han de tenir un alt poder energètic per unitat de volum (típicament 2.5 KW per litre).


Tipus de cel·les de combustible[modifica | modifica el codi]

Nom Electròlit Rang Temperatura
de treball
Eficiència
elèctrica
Estat
Pila de combustible reversible
Kit per l'ensenyament
Blue Energy membrana de polietilè Superior a 250 kW Investigació
Pila de combustible biològica (MFC)
Pila de combustible de zinc
Bateria de fluxe Investigació
Pila de combustible alcalina (AFC) solució alcalina de 10 a 100 kW inferior a 80 °C Cel·la: 60–70% Sistema: 62% Comercialitzant-se/
Investigació
Pila de combustible de membrana d'intercanvi de protons (PEM FC) membrana polimèrica(ionòmer) de 0,1 a 500 kW 70–200 °C, Cel·la: 50–70 % Sistema: 30–50 % Comercialitzant-se/
Investigació
Pila de combustible directa de borhidrur (DBFC) solució alcalina NaOH 70 °C Investigació
Pila de combustible d'àcid fòrmic (FAFC) àcid fòrmic 90–120 °C Investigació
Pila de combustible directe de metanol (DMFC) membrana polimérica de pocos mW a 100 kw 90–120 °C Cel·la: 20–30 % Comercialitzant-se/
Investigació
Pila de combustible directe d'etanol (DEFC) Investigació
Pila de combustible d'àcid fosfòric (PAFC) Àcid fosfòric Superior a 10 MW 200 °C Cel·la: 55 % Sistema: 40 % Comercialitzant-se/
Investigació
Pila de combustible de carbonat fos (MCFC) Carbonat-Alcalí Fos 100 MW 650 °C Cel·la: 55 % Sistema: 47 % Comercialitzant-se/
Investigació
Pila de combustible de ceràmica protònica (PCFC) ceràmica 700 °C Investigació
Pila de combustible d'òxid sòlid (SOFC) Electròlit de ceràmica oxidada Superior a 100 MW 800–1000 °C Cel·la: 60–65 % Sistema: 55–60 % Comercialitzant-se/
Investigació

Eficiència[modifica | modifica el codi]

L'eficiència de les cel·les de combustible, a diferència dels motors de combustió (interna i externa) no està limitada pel cicle de Carnot, car no segueixen un cicle termodinàmic. Per tant, la seva eficiència és molt alta en convertir directament energia química en energia elèctrica. L'eficàcia d'una cel·la de combustible \eta\,\!, sota condicions estàndards està limitada pel quocient de la variació de l'energia lliure (estàndard) de Gibbs\Delta\mathrm{G}^\circ, per la variació de l'entalpia estàndard de la reacció química completa \Delta\mathrm{H}^\circ. L'eficiència real és igual o inferior a això (normalment inferior).

\eta\,=\frac{\Delta\mathrm{G}^\circ}{\Delta\mathrm{H}^\circ}


Una cel·la de combustible converteix normalment l'energia química del combustible en electricitat amb una eficàcia aproximadament del 50%. L'eficàcia, no obstant això, depèn en gran mesura del corrent que circula a través de la cel·la de combustible: com més gran és el corrent, més baixa és l'eficàcia. Per a una cel·la d'hidrogen l'eficiència (energia real/energia teòrica) és igual al voltatge de la cel·la dividit per 1,23 volts, a una temperatura de 25 °C. Aquest voltatge depèn del combustible usat, de la qualitat i de la temperatura de la cel·la. Una cel·la que funciona a 0,6V té una eficàcia propera al 50%, cosa que significa que el 50% de l'energia continguda en l'hidrogen es transforma en energia elèctrica.

Una cel·la de combustible i un electròlit retorna menys del 50 per cent de l'energia d'entrada (això es coneix com eficàcia anada-tornada), mentre que una bateria de plom i àcid molt més barata pot retornar prop de 90 per cent.

Cal considerar també les pèrdues degudes a la producció, al transport i l'emmagatzematge. Els vehicles amb cel·la de combustible que funcionen amb hidrogen comprimit tenen una eficiència del 22% si l'hidrogen s'emmagatzema com a gas d'alta pressió, i del 17% si s'emmagatzema com a hidrogen líquid.

Les cel·les de combustible no poden emmagatzemar energia com una bateria, sinó que en algunes utilitzacions, com a les centrals elèctriques independents basades en fonts "discontínues" (solars, energia del vent), es combinen amb electròlits i sistemes de l'emmagatzematge per a formar un sistema que guarda aquesta energia. L'eficàcia anada-tornada (d'electricitat a l'hidrogen i de nou a electricitat) d'aquestes plantes es troba entre el 30 i el 40%.

En "utilitzacions combinades de la calor i de l'energia" (una millora dels processos de cogeneració, la cel·la de combustible es posa en un lloc on també es requereixi calor, es tolera una eficàcia més baixa de la conversió de combustible a electricitat (típicament 15-20%), perquè la majoria de l'energia no convertida en electricitat s'utilitza com a calor. Una mica de calor es perd amb el gas que escapa més o menys com en un forn normal, amb aquesta combinació d'energia tèrmica i d'energia elèctrica l'eficàcia segueix sent més baixa de 100%, normalment al voltant del 80%. No obstant això, en termes d'exergia el procés és ineficaç, i s'obtindria millor resultat maximitzant l'electricitat generada i després usant l'electricitat per a fer funcionar una bomba de calor.

Aplicacions de les cel·les de combustible[modifica | modifica el codi]

Les cel·les de combustible són molt útils com a fonts d'energia en llocs remots, com per exemple una nau espacial, estacions meteorològiques allunyades, parcs grans, localitzacions rurals i en certes utilitzacions militars. Un sistema amb cel·la de combustible que funciona amb hidrogen pot ser compacte, de pes lleuger i no té cap peça mòbil important.

Una nova forma de donar-li ús és combinant calor i l'electricitat (CHP, Combined Heat and Power) per a habitatges familiars, els edificis d'oficines i les fàbriques. Aquest tipus de sistema genera energia elèctrica de manera constant (venent l'excés d'energia a la xarxa quan no es consumeix), i al mateix temps produeix aire i aigua calenta gràcies a la calor que desprèn. Les cel·les de combustible d'Àcid fosfòric (PAFC Phosphoric-Acid Fuel Cells) abasten el segment més gran dels productes existents de CHP en tot el món i poden proporcionar eficàcies combinades properes al 80% (45-50% elèctric + la resta com a tèrmic). El fabricant més gran de les cel·les de combustible de PAFC és UTC Power, una divisió d'United Technologies Corporation. També s'han instal·lat cel·les de combustible de carbonat fos (MCFC Molten Carbonate Fuel Cell) amb els mateixos objectius, i existeixen prototips de cel·les d'òxid sòlid (SOFC Solid-Oxide Fuel Cell).

No obstant això, ja que els sistemes electrolític no emmagatzemen el combustible en si mateixos, sinó en unitats externes d'emmagatzematge, poden utilitzar-se en emmagatzematge a gran escala d'energia, a les àrees rurals per exemple. En aquest cas, les bateries haurien de ser de gran grandària per a satisfer la demanda de l'emmagatzematge, però les cel·les de combustible només necessiten una unitat (més gran que les unitats normals) d'emmagatzematge que normalment és més barata que un dispositiu electroquímic.


Existeix un programa experimental a Stuart Island a l'Estat de Washington. Allà la Stuart Island Energy Initiative ha construït un sistema complet en el qual els panells solars generen el corrent per fer funcionar diversos sistemes electrolítics que produeixen hidrogen que s'emmagatzema en un tanc de 500 galons (uns 1900 litres o 1,9 metres cúbics) a 150-200 PSI (10,34-13,79 bar.). L'hidrogen s'utilitza per a fer funcionar una cel·la de combustible d'hidrogen de 48V ReliOn que proporciona una reserva completa per a la xarxa elèctrica dels barris residencials de l'illa (vegeu l'enllaç extern a SIEI.ORG).

Protium, una banda de rock formada a la Ponaganset High School, a Glocester Rhode Island), va ser la primera banda del món a utilitzar cel·les de combustible d'hidrogen per a proveir-se d'energia. La banda utilitzava un Airgen Fuelcell de 1kw de Ballard Power systems. La banda ha tocat a nombrosos esdeveniments relacionats amb les cel·les de combustible incloent el CEP de Connecticut, i el Fuel Cell Seminar del a Miami Beach.


Plug Power Inc. és un participant important en el disseny, desenvolupament i fabricació de cel·les de combustible PEM per a les utilitzacions no mòbils, incloent els productes dirigits a les telecomunicacions, energia bàsica, i utilitzacions combinades de calor i energia (CHP).

Altres possibles utilitzacions[modifica | modifica el codi]

  • Plantes generadores base (aquelles que mantenen una producció constant d'electricitat, i no s'apaguen mai excepte en casos de manteniment o avaria)
  • Vehicles Elèctrics
  • Sistemes Auxiliars d'Energia
  • Sistemes de suport de la xarxa elèctrica


Vehicles d'hidrogen, vaixells, avions i estacions de servei[modifica | modifica el codi]

El Toyota FCHV PEM FC fuel cell. Un vehicle dissenyat per Toyota impulsat per hidrogen

La primera estació d'abastiment d'hidrogen com a combustible fou oberta a Reykjavík, Islàndia, a l'abril del 2003. Aquesta estació abasteix a tres autobusos construïts per DaimlerChrysler i que presten servei en la xarxa de transport públic de la ciutat. La pròpia estació produeix l'hidrogen que necessita, gràcies a una unitat electrolítica (fabricada per Norsk Hydro), i no necessita ser emplenada: les seves úniques entrades són electricitat i aigua. Shell també participa en el projecte. L'estació no té sostre, per tal de permetre que l'hidrogen que pugui escapar surti cap a l'atmosfera.

Hi ha nombrosos prototips i models de cotxes i autobusos basats en la tecnologia de cel·les de combustible en els quals se segueix investigant i fins i tot fabricant alguns models. La investigació segueix en curs en companyies com DaimlerChrysler, Ballard Power Systems, Ford, Volvo, Mazda, General Motors, Honda, la BMW, Hyundai i Nissan, entre d'altres. Un automòbil comercial pràctic basat amb cel·la de combustible no s'espera fins a almenys 2010 segons la indústria.


Submarí Type 212 al port

Els submarins Type 212A, un avançat disseny alemany per a desenvolupar submarins no nuclears, utilitza cel·les de combustible (desenvolupades per Siemens) per a impulsar nou propulsors i pot mantenir-se submergit durant setmanes sense haver de pujar a la superfície.

De manera semblant Airbus està desenvolupant un prototip d'avió que utilitzi aquesta tecnologia.


Actualment, un equip dels estudiants universitaris anomenats Energy-Quest està planejant portar un vaixell accionat per cel·la de combustible d'hidrogen al voltant del món (així com altres projectes usant els combustibles eficients o renovables). La seva empresa es diu Tritó.


Economia i Medi ambient[modifica | modifica el codi]

Les cel·les de combustible solen ser considerades molt atractives per a utilitzacions modernes per la seva eficàcia alta i idealment (vegeu energies renovables) lliures d'emissions, en contrast amb combustibles actualment més comuns, com poden ser el metà o gas natural, que generen diòxid de carboni. Gairebé el 50% de tota l'electricitat produïda als Estats Units ve del carbó. El problema és que el carbó és una font d'energia relativament bruta (segons el tipus de carbó). Si l'electròlisi (un procés que necessita electricitat) s'utilitza per a crear l'hidrogen usant energia de les centrals elèctriques, en realitat s'està creant el combustible hidrogen a partir de carbó. Tot i que la cel·la de combustible emet solament calor i aigua com residus, el problema de la contaminació encara estarà present en les centrals elèctriques.


Un acostament integral ha de considerar els impactes d'un escenari ampli de l'hidrogen. Això fa referència a la producció, a l'ús i a la disposició de la infraestructura i dels convertidors de l'energia. Els apilats de les cel·les de combustible avui dia tenen una gran quantitat de catalitzadors. Això és a causa de la corrosió que sofreix el catalitzador i per tal que no redueixi la seva activitat aquest ha de ser sobredimensionat [4]. Les reserves limitades de platí acceleren la síntesi d'un complex inorgànic molt similar a la base catalítica del sulfur de ferro dels bacteris hidrogenasa [5] per a començar a prendre mesures. Les reserves del món del platí són insuficients per poder donar suport a una conversió total de tots els vehicles a cel·les de combustible: una introducció significativa de vehicles amb l'actual tecnologia, per tant, només aconseguiria que el valor comercial de platí s'elevés i les seves reserves descendissin.


Història[modifica | modifica el codi]

El principi de la cel·la de combustible fou descobert pel científic Christian Friedrich Schönbein a Suïssa l'any 1838 i publicat en l'edició de gener de 1839 del Philosophical Magazine. D'acord amb aquest treball, la primera cel·la de combustible va ser desenvolupada per Sir William Robert Grove un científic gal·lès. Un primer esbós va ser publicat en 1843. Per a fabricar la cel·la de combustible va utilitzar materials similars als usats avui dia per a la cel·la de combustible d'àcid fosfòric. No va anar fins al 1959 quan l'enginyer britànic Francis Thomas Bacon va desenvolupar amb èxit una cel·la immòbil de combustible de 5 quilowatt. El 1959, un equip encapçalat per Harry Ihrig va construir un tractor basat en una cel·la de combustible de 15 kW per a Allis-Chalmers que va ser exposat a diferents fires arreu de l'estat. Aquest sistema va utilitzar l'hidròxid de potassi com a electròlit i l'hidrogen i l'oxigen comprimits com a reactius. Més endavant, el 1959, Bacon i els seus col·legues van mostrar una unitat de 5 kW capaç d'accionar una màquina de soldadura que va conduir, els anys 60, a que les patents de Bacon llicenciades per Pratt i Whitney als Estats Units (almenys els seus conceptes) fossin utilitzades al programa espacial dels Estats Units per tal de proveir d'electricitat i d'aigua potable (hidrogen i oxigen que està fàcilment disponible dels tancs de la nau espacial) als astronautes.


Paral·lelament a Pratt & Whitney Aircraft, General Electric va desenvolupar la primera cel·la de combustible que utilitzava una membrana intercanviadora de protons (PEMFCs) per a les missions espacials Gemini. La primera missió que va utilitzar PEFCs va ser bessons V. No obstant això, les missions espacials Apol·lo i les missions següents Apol·lo-Soiuz, de Skylab, i Space-Shuttle utilitzaven cel·les de combustible basades en el disseny de Bacon, desenvolupat per Pratt & Whitney Aircraft.


UTC Power (mitjançant UTX) va ser la primera companyia a fabricar i comercialitzar un sistema a gran escala de cel·les de combustible immòbils, per al seu ús com a central elèctrica de cogeneració a hospitals, universitats, i grans edificis d'oficines. UTC Power continua comercialitzant aquesta cel·la de combustible com el PureCell 200, un sistema de 200 kW i segueix sent l'únic proveïdor de cel·les de combustible a la NASA per al seu ús en vehicles espacials, proveint les missions Apol·lo i actualment el transbordador espacial, i està desenvolupant cel·les de combustible per a automòbils, autobusos, i les antenes de telefonia mòbil. En el mercat dels automòbils basats en cel·les de combustible, UTC Power va exposar la primera cel·la de combustible capaç de començar a funcionar a temperatures baixes amb la seva cel·la automotora de combustible de membrana de la intercanviadora de protons (PEM). Nota: L'energia del UTC també utilitza el nom de les cel·les de combustible del UTC al referir a productes de la cel·la de combustible.


Els materials utilitzats eren massa cars i les cel·les de combustible requerien hidrogen i oxigen molt purs. Les primeres cel·les de combustible solien requerir temperatures molt elevades que eren un problema per a moltes utilitzacions. Tot i així, les cel·les de combustible seguien sent investigades a causa de les grans quantitats de combustible disponibles (hidrogen i oxigen).


Tot i el seu èxit en programes de l'espai, els sistemes amb cel·les de combustible eren limitats a les missions de l'espai, on l'alt cost es podia tolerar. No va arribar fins al final dels 80 i principis dels 90 que les cel·les de combustible es convertiren en una opció veritable d'ús més ampli. Diverses innovacions, catalitzador amb menys platí i elèctrodes de pel·lícula fina van baixar el cost de les cel·les de combustible, fent que el desenvolupament de sistemes PEMFC (com per exemple automòbils) fos més o menys realista.

Bibliografia[modifica | modifica el codi]

  • Gregor Hoogers, Hoogers Hoogers - Fuel Cell Technology Handbook - Edita:CRC Press Gener de 2003 - ISBN 0-8493-0877-1

Enllaços externs[modifica | modifica el codi]