Pila de combustible

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

Una pila de combustible o cel·la de combustible és un dispositiu electroquímic que contínuament converteix energia química en energia elèctrica (i una petita part en calor) sempre que disposi de combustible i d'un oxidant.

Les piles de combustible funcionen amb la mateixa naturalesa electroquímica que les bateries convencionals, és a dir, les dues es basen en la generació d'energia elèctrica a partir d'energia química. La diferència entre les dues és que les piles de combustible no necessiten ser recarregades sinó que treballen de manera contínua, per tant tenim un flux i consum de reactius constant. El fet que es necessiti un flux continu de reactius és una de les principals diferències amb les bateries convencionals.[1]

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 del funcionament d'una pila de combustible.

Les piles de combustible són una suma de piles individuals que reben el nom de cèl·lules de combustible. Una cèl·lula de combustible contés dos elèctrodes, un ànode (-) i un càtode (+) que els dos acostumen a ser de platí i que es troben separats per un electròlit. L’electròlit acostuma a ser una membrana. En l’ànode es produeix la oxidació de l’hidrogen que es dissocia en dos protons i dos electrons. Els protons circulen a través de la membrana polimèrica fins que el càtode i allà es combinen amb l’oxigen que s’ha reduït prèviament al càtode per formar aigua.  Els electrons que no han pogut travessar la membrana s’escapen per un circuit elèctric. Aquest flux d’electrons és el corrent elèctric que podrem aprofitar com a energia elèctrica.[2]

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]

La quantitat d’electricitat produïda per cada cel·la de combustible depèn de diversos factors com el tipus de cel·la, la mida, la temperatura a la que funciona i la pressió de subministrament dels gasos. La potència final de la pila està determinada pel nombre de cèl·les que la formen.[2] 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 habitualment i són cobertes per un catalitzador (que pot ser el Platí o Pal·ladi) per a aconseguir una eficiència més alta.

També es fan servir nanomaterials per la producció, purificació i emmagatzematge d'hidrogen. Un dels principals problemes del sector és la falta de tecnologies per l'emmagatzematge d'hidrogen que serveix per alimentar les piles de combustible per després alliberar-lo amb suficient velocitat, de manera que el consum energètic sigui reduït per poder alimentar correctament la pila. Els nanomaterials són prometedors per dur a terme aquesta funció, principalment, els nanotubs de carboni,els hidrurs de metalls lleugers i el grafè.[3]

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

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

  • Costs. Per exemple, 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.[4]
  • Gestió de l'aigua en les PEMFC (Proton Exchange Membrane Fuel Cell, en català: cel·la de combustible amb membrana intercanviadora de protons). 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.[5]
  • 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 sota temperatures extremes. 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). [5] [6]

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

Les piles de combustible es classifiquen en funció de l’electròlit present en el seu interior responsable de la temperatura de treball del sistema.[7]

  • Piles de combustible de membrana polimérica (PEMFC)

L’electròlit està format per una membrana polimèrica de bescanvi iònic (excel·lent conductor de protons). Normalment aquesta membrana esta feta de Nafion 117.

La temperatura de treball és de 60-120 ºC degut a la degradació de la membrana a temperatures superiors. Així doncs, aquesta membrana necessita una hidratació constant d’aigua. Degut a les baixes temperatures de treball, és necessària la presència de catalitzadors com ara Pt.

Aquestes piles s’alimenten d’H2 (g) i O2 o bé aire que ha estat tractat prèviament per tal d’eliminar impureses com el CO per a evitar fer malbé el catalitzador.

Desavantatges: És car degut a l’ús de Pt com a catalitzador i aquest pot ser enverinat amb la presencia de CO que pot estar present en el combustible.

Avantatges: Treballem a baixes temperatures.

Aplicacions: Transport, electrònica i generació elèctrica (1-250 kW).

L’electròlit és líquid i es troba format per una solució aquosa de KOH concentrat (30-85% en pes). La concentració de KOH variarà en funció de la temperatura de treball del sistema que pot anar de 60-120ºC.

Degut a les baixes temperatures de treball, és necessària la presència de catalitzadors com ara Pt/Pd i Ni.

Desavantatges: El catalitzador es pot enverinar amb la presencia de monòxid de carboni (CO) que pot estar present en el combustible. El CO2 (de l’aire) reaccionarà amb KOH formant K2CO3.[8] S’ha d’utilitzar H2 i O2 d’alta puresa o aire purificat. Alt cost. La corrosivitat del KOH obliga a emprar acers inoxidables i materials polimèrics com a elements estructurals.

Avantatges: El fet d’emprar un electròlit líquid permet emprar-lo com a refrigerant i retirar-lo de la pila en períodes d’inactivitat per a augmentar el seu temps de vida útil.

Aplicacions: Transport, aplicacions militars i programes espacials (Apolo).

L’electròlit és líquid i està format per una solució d’àcid fosfòric (85-100%) en una matriu de carbur de silici. Els elèctrodes estan formats d’una base de grafit amb un catalitzador de Pt. La temperatura de treball és de 160-200ºC i per a evitar la solidificació de l’electròlit, la pila ha de ser sempre escalfada ja que l’àcid fosfòric solidifica a 42,5ºC.

Desavantatges: A baixes temperatures l’àcid fosfòric solidifica i això fa que sigui mal conductor. Podem tenir enverinament del catalitzador (Pt) per  al presència de CO en l’ànode. Alt cost per l’ús de Pt. Hi ha corrosivitat.

Avantatges: Estabilitat de l’àcid fosfòric afavoreix el treball en un ampli rang de temperatures. Ús d’àcid pur facilita el tractament de l’aigua generada. Tolera major quantitat d’impureses degut a la seva alta temperatura de treball.[7]

Aplicacions: Plantes de generació de potencies de 100-200 kW.

  • Piles de combustible de carbonat fos (MCFC)

L’electròlit està format per una mescla de carbonats alcalins fosos (Li, K i Na) en una matriu de liti-alumini. Els elèctrodes estan fets d’un aliatge de Ni-Cr (ànode) i Ni-Li (càtode). La temperatura de treball és de 600-700 ºC.

A diferència de les piles esmentades anteriorment, aquestes necessiten ser alimentades amb aire i diòxid de carboni en el càtode.

Desavantatges: Necessiten dos fluxos (CO i O2). La formació d’aigua en l’ànode pot diluir el combustible.[5] Les altes temperatures i el caràcter corrosiu de l’electròlit afecten en la seva durabilitat.

Avantatges: Tenen una elevada tolerància a les impureses degut a les altes temperatures de treball.

Aplicacions: Plantes de generació de kW fins a desenes de MW.

  • Piles de combustible d’òxids sòlids (SOFC)

L’electròlit està format d’un material ceràmic (òxid de zirconi-itri). Aquesta pila es diferencia de la resta perquè no empra catalitzador. Això és així, perquè es treballa a temperatures molt elevades: 800-1000 ºC.

Desavantatges: Les altes temperatures afecten en la seva durabilitat. És car.

Avantatges: No es necessiten combustibles d’alta puresa degut a les altes temperatures de treball. No tenim elements en fase líquida i això redueix els problemes de corrosió. El CO no és un problema i participa activament en les reaccions electroquímiques.

Aplicacions: Generació d’electricitat: generació de KW fins a desenes de MW.

  • Piles de combustible d’ús directe de metanol (DMFC)

És un tipus de pila derivada de les PEMFC, ja que ambdues utilitzen una membrana polimèrica d’intercanvi iònic com a electròlit. No obstant, en aquest cas utilitzen metanol enlloc d’H2. La temperatura de treball és de 50-100 ºC.

Desavantatges: Baixa difusió del metanol a través de la membrana en el pas de l’ànode al càtode, fet que fa disminuir el rendiment i augmentar el consum de combustible. Això fa que aquestes piles tinguin un curt temps de vida útil, una menor eficiència que la resta de piles i que sigui necessària una elevada quantitat de catalitzador.[7]

Avantatges: L’emmagatzematge de metanol no requereix aparells voluminosos ni reformadors extens com en el cas de l’hidrogen, fet que provoca una reducció de costos respecte la pila PEMFC amb hidrogen. Tenim la possibilitat d’emprar directament metanol líquid a baixes temperatures (90 ºC).

Aplicacions: Sector automobilístic (l’alimentació d’un combustible líquid evita una gran quantitat de problemes relacionats amb l’ús de combustibles gasosos).

Tipus de cel·les de combustió en funció de l'electròlit present en el seu interior
Tipus Electròlit Ions T (ºC) Catalitzador Combustible Oxidant Eficiència elèctrica (%)
PEMFC Membrana polimèrica H+ 60-120 Pt H2,Gas O2,aire 40-60
AFC Hidròxid de potassi (KOH) OH- 60-120 Pt/Pd, Ni H2,Gas pur O2 60
PAFC Àcid fosfòric (H3PO4) H+ 160-200 Pt H2,Gas O2,aire 40-50
MCFC Carbonat de liti o potassi CO3-2 600-700 Ni H2,Gas O2,aire 45-55
SOFC Òxids de zirconi O-2 800-1000 - H2,Gas O2,aire 45-60
DMFC Membrana polimèrica H+ 50-100 Pt, Pt-Ru Metanol líq. O2,aire 20-40

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, ja que no segueixen un cicle termodinàmic. Per tant, la seva eficiència és molt alta en convertir directament energia química en energia elèctrica. L'eficiència d'una cel·la de combustible , sota condicions estàndards està limitada pel quocient de la variació de l'energia lliure (estàndard) de Gibbs, per la variació de l'entalpia estàndard de la reacció química completa . L'eficiència real és igual o inferior a això (normalment inferior).[9]


Una cel·la galvànica converteix normalment l'energia química del combustible en electricitat amb una eficiència d'un 30% en motors diesel i prop del 50% en turbines de vapor que és un dels màxims. L'eficiència, 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'eficiència.[10] Per a una cel·la d'hidrogen, l'eficiència global (real/teòrica) és igual al voltatge de la cel·la dividit per 1,23 volts, a una temperatura de 25 °C.[9] Aquest voltatge depèn del combustible usat, de la qualitat i de la temperatura de la cel·la. Les piles de combustible com que no estan sotmeses al cicle de Carnot tenen un rendiment ideal del 100%.[10]

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'eficiència 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 eficiència 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'eficiència 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. [5]

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

El sector de les piles de combustibles es divideix en tres grans sectors:

·        Transport: ús de cel·les de combustió per a propulsar vehicles. Hyundai i Toyota ja disposen a la venda de vehicles amb tecnologia híbrida entre elèctrica i pila de combustió. La seva producció està molt limitada però s’espera que es continuï expandint en els propers anys.

Dinamarca ha declarat lliure d’impostos aquests tipus de vehicles fins al 2018 per fer aquests vehicles competitius amb els vehicles de benzina. A Kyoto inclús compraran tres vehicles Toyota dels esmentats anteriorment i es podran llogar per hores amb reserva online.

A banda de cotxes, també trobem avui en dia en funcionament i no com a prototip autobusos i bicicletes i s’està començant a fer prototips de trens i vaixells.

·        Estacionàries: cel·les de combustió que es troben fixes en un punt per poder generar corrent continu o altern, calor, aigua o qualsevol combinació dels tres.

·        Portables: Ús de cel·les combustió com a bateries portables.[11]

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 eficiències 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).[12]

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.[13]

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. [14] 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). [12]

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

Estacions de servei i vehicles basats en hidrogen[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.[15] Aquesta estació va abastir a tres autobusos construïts per DaimlerChrysler i que prestàven servei en la xarxa de transport públic de la ciutat.[16] La mateixa estació produïa l'hidrogen que necessitava gràcies a una unitat electrolítica (fabricada per Norsk Hydro), i no necessitava ser emplenada: les seves úniques entrades són electricitat i aigua.[17] Shell també va participar 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. Al 1991, el primer automòbil de pila de combustible d'hidrogen va ser desenvolupat per Roger Billings[18]Alguns emprenedors com en Daniel Akerson, director general de General Motors, consideren que actualment els cotxes són massa cars i que probablement no tindran preus competitius fins 2020.[19] Un exemple actual d'automòbil comercial en producció basat en la cel·la de combustible és el Hyundai ix35.[20]

També s'utilitzen en autobusos. El  Fuel Cell Bus Club és un programa cooperatiu global que engloba diferents projectes sobre autobusos de pila de combustible de prova. El projecte més notable va ser dut a terme per Daimler AG, amb 36 autobusos experimentals alimentats per piles de combustible de Ballard Power Systems, i que va completar amb èxit un assaig de tres anys en onze ciutats diferents.[16][21]

Submarí Type 212 de l' Armada Germana propulsat per pila de combustible.

L'ús de cel·les de combustió també es comú a vaixells i submarins. L' Hydra va ser la primera embarcació de pila de combustible del món en utilitzar un sistema AFC. [22] Actualment, un equip d' estudiants universitaris anomenats Energy-Quest està planejant portar un vaixell accionat per cel·la de combustible d'hidrogen al voltant del món. La seva empresa es diu Tritó.[23]

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.[24]

L'ús de cel·les de combustió es menys comú en avions. Al febrer de 2008, investigadors de Boeing i socis del sector de l’ indústria de tota Europa van dur a terme una sèrie de proves de vol experimentals en un avió propulsat únicament per una pila de combustible i bateries lleugeres. L'avió va utilitzar una membrana d'intercanvi de protons (PEM) de cèl·lula de combustible amb una bateria de liti, formant un sistema híbrid per alimentar un motor elèctric, que es va acoblar a una hèlix convencional. [25]

Al gener de 2016, un dron anomenat Raptor E1 va fer un vol de prova amb èxit utilitzant una pila de combustible que era més lleugera que la bateria de liti. El vol va durar uns 10 minuts a una altitud de 80 metres, encara que la pila de combustible tenia prou combustible per volar durant dues hores. [26]

Economia i Medi ambient [modifica | modifica el codi]

El 2012, els ingressos de la indústria de cel·les de combustible va superar els mil milions de dòlars a tot el món, amb els països d'Àsia -Pacífic predominant amb més de 3/4 de tots els sistemes de piles de combustible. [27] No obstant això, a l'inici del 2014, cap companyia pública d’aquest sector industrial tenia ventes i li sortia rentable el seu ús. [28]

L’any 2015 més de 60.000 cel·les de combustible van ser fabricades. Aquest nombre de cel·les equival a uns 300 MW que suposa un increment del 65% respecte el 2014. L’increment tant gran en nombre de megawatts és degut a sobretot el creixement en els sectors del transport i en generadors estacionaris. Estats Units i Corea estan ja instal·lant parcs de producció elèctrica a partir de cel·les de combustió mentre que al Japó s’estan venent moltes cel·les de combustió per a instal·lar-los als habitatges.

Estats Units ha produït més de 150 MW mitjançant cel·les de combustió durant el 2015 que és un 30% més que Àsia i Europa junts. Tot i així la producció d’Àsia esta augmentant molt degut a la fabricació de cotxes que disposen d’aquesta tecnologia i el Japó pel esmentat anteriorment.[11]

Al 2016, Samsung va decidir abandonar tots els projectes empresarials relacionats amb les cel·les de combustible ja que la perspectiva del mercat no era bona. [29] Els quatre productors dominants en la indústria de cel·les de combustible han sigut els Estats Units, Alemanya, Japó i Corea del Sud.[30]

Les cel·les de combustible solen ser considerades molt atractives per a utilitzacions modernes per la seva eficiència 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.[31] Al 2016, quasi un 70% de tota l'electricitat produïda als Estats Units provenia del carbó. [32] 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.

Per tant, s' han de considerar els possibles impactes amb els que es troba vinculat l'hidrogen. Això fa referència a la producció, a l'ús i a la disposició de la infraestructura i dels convertidors de l'energia. Elon Mask, entre d'altres, afirma que les cel·les de combustible per a ús en cotxes mai serà comercialment viable a causa de la ineficiència de la producció, transport i emmagatzematge d'hidrogen i la inflamabilitat del gas, entre d'altres.[33] A més, els apilats de les cel·les de combustible avui dia tenen una gran quantitat de catalitzadors. Aquesta és a causa de la corrosió que sofreix el catalitzador i per tal que no redueixi la seva activitat aquest ha de ser sobredimensionat Les reserves limitades de platí, juntament amb la seva toxicitat, acceleren la síntesi d'un complex inorgànic molt similar a la base catalítica del sulfur de ferro dels bacteris hidrogenasa [1] 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.[34] [35] Aquesta relació entre la posible pujada del preu degut a l'esgotament del platí i la possible substitució per complexos de ferro i sofre va ser estudiada per una coalició del Centre John Innes i la Universitat de Milà-Bicocca. [36]

Història[modifica | modifica el codi]

William Robert Grove va construir una bateria de gas amb 50 cel·les i va establir que les mínimes necessàries per electrolitzar l' aigua eren 26. En aquesta figura, es mostren 4.[1]

El concepte d'una pila de combustible efectivament s'havia demostrat a principis del segle XIX per Humphry Davy.[31] Aquest treball pioner va ser seguit 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 pila de combustible experimental va ser desenvolupada per Sir William Robert Grove, un científic gal·lès i va rebre el nom de bateria voltaica de gasos. Un primer esbós d'aquesta va ser publicat en 1843.[37] 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.[38]

El terme de pila de combustible va ser utilitzat per primera vegada en 1889 per Charles Langer i Ludwig Mond, qui van investigar les cel·les de combustible utilitzant carbó gas com a combustible. Altres intents per convertir aquest directament en electricitat es van fer a principis del segle XX, però la tecnologia en general, va romandre a la foscor.[31]

Al 1959, l'enginyer britànic Francis Thomas Bacon, va desenvolupar amb èxit una cel·la de combustible de sis quilowatt.[39] Aquest mateix any, 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 portar, els anys 60, que les patents de Bacon llicenciades per Pratt & Whitney Aircraft 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.[31]

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 del Projecte Gemini. 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.[31]

UTC Power , una divisió de Pratt & Whitney Aircraft, 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.[40]

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.[31]

En reconeixement a l’ indústria de cel·les de combustible i pel paper dels Estats Units en el desenvolupament d’aquestes, el Senat dels Estats Units va reconèixer el 8 d'octubre de 2015, com el dia Nacional de l'Hidrogen i les Piles de Combustible. La data va ser triada en reconeixement del pes atòmic de l'hidrogen (1,008 ).[41]

Referències[modifica | modifica el codi]

  1. 1,0 1,1 Hoogers, Gregor. Fuel Cell Technology Handbook (en en). CRC Press, 2002-09-27. ISBN 9781420041552. 
  2. 2,0 2,1 Empresa y energías renovables: lo que su empresa debe saber sobre energías renovables, eficiencia energética y Kioto (en es). FC Editorial, 2006. ISBN 9788496169708. 
  3. Casella, Marco. Nanotecnologías - Los desafios del futuro (en es). Marco Casella, 2015-10-01. ISBN 9788893156523. 
  4. «PEM Fuel Cells Durability and Cost» (en anglès). F.A. de Bruijn, 2009.
  5. 5,0 5,1 5,2 5,3 «Fuel Cell Systems Explained» (en anglès).
  6. «Fuel Cell Technology» (en anglès), 2001.
  7. 7,0 7,1 7,2 «Análisis experimental del funcionamiento de una celda de combustible de metanol directo en diferentes condiciones operativas.» (en castellà). Alfonso Grande Ruiz, 2014.
  8. «CELDAS DE COMBUSTIBLE» (en castellano).
  9. 9,0 9,1 «Thermodynamics Glossary - Fuel Cell Efficiency». [Consulta: 24 maig 2017].
  10. 10,0 10,1 Arumí Prat, Xavier. [file:///C:/Users/Pol%20Gimeno/Downloads/36120-1.pdf Una aplicació de l’hidrogen: l’habitatge autosuficient] (en català), Novembre. 
  11. 11,0 11,1 «Fuell Cell Technologies Market Report 2015» (en anglés), Agost 2016. [Consulta: 17 maig 2022].
  12. 12,0 12,1 Energy, The Association for Decentralised. «What is Combined Heat and Power? | Resources | The Association for Decentralised Energy» (en en-gb). [Consulta: 28 maig 2017].
  13. «Stuart Island Energy Initiative». [Consulta: 28 maig 2017].
  14. «World's First Fuel Cell Rock Band, Fueled by Millennium Cell Hydrogen on Demand System, Makes National Debut; Protium Will Perform Tomorrow Night in Miami» (en en). [Consulta: 28 maig 2017].
  15. «Icelandic New Energy | Promoting Hydrogen in Iceland - ECTOS». [Consulta: 18 maig 2017].
  16. 16,0 16,1 «DaimlerChrysler - Technology & Innovation - European Fuel Cell Bus Project Extended by One Year», 29-09-2007. [Consulta: 18 maig 2017].
  17. «RENEWABLE HYDROGEN PRODUCTION WITH NORWEGIAN ELECTROLYSER TECHNOLOGY» (en anglès). Henning G. Langås, 2014.
  18. «Welcome to the International Association for Hydrogen Energy». [Consulta: 19 maig 2017].
  19. «GM's Dan Akerson: Fuel-cell vehicles aren't practical... yet», 01-08-2011. [Consulta: 18 maig 2017].
  20. «Hydrogen cell powered cars» (en anglès). [Consulta: 12 novembre 2015].
  21. «Company - UTC Power», 15-02-2012. [Consulta: 18 maig 2017].
  22. «World's first Fuel Cell Ship (Hydra, year 2000)» (en alemany). [Consulta: 2008].
  23. LLC, Revolvy,. «"Energy-Quest" on Revolvy.com» (en en). [Consulta: 18 maig 2017].
  24. «U212 / U214 Submarines». [Consulta: 18 maig 2017].
  25. «Boeing: Boeing Successfully Flies Fuel Cell-Powered Airplane», 09-05-2013. [Consulta: 18 maig 2017].
  26. «Drone flight powered by lightweight hydrogen-producing pellets» (en en). [Consulta: 18 maig 2017].
  27. Media, BioAge. «Green Car Congress: Navigant: fuel cell industry passed $1-billion revenue mark in 2012». [Consulta: 19 maig 2017].
  28. «Plug, FuelCell Climb as ‘Experiments’ Seen as Profitable». Bloomberg.com, 11-03-2014.
  29. «Samsung to drop fuel cell business» (en en). koreatimes, 12-04-2016.
  30. «Fuel Cells Annual Report» (en anglès), 2011. [Consulta: Clint Wheelock].
  31. 31,0 31,1 31,2 31,3 31,4 31,5 «Fuel Cell History - Fuel Cell Today». [Consulta: 19 maig 2017].
  32. «How much of U.S. carbon dioxide emissions are associated with electricity generation? - FAQ - U.S. Energy Information Administration (EIA)» (en en). [Consulta: 19 maig 2017].
  33. «Elon Musk explains why hydrogen cars are 'incredibly dumb'» (en en). Business Insider.
  34. «Fuel Cells | Department of Energy» (en en). [Consulta: 19 maig 2017].
  35. «Las reservas de platino se reducen y podrían impulsar el precio» (en es-es). OroyFinanzas.com, 11-03-2015.
  36. «C&EN: Latest News - Iron-Sulfur Core Assembled». [Consulta: 19 maig 2017].
  37. Thomas, John Meurig «W.R. Grove and the fuel cell». Philosophical Magazine, 92, 31, 01-11-2012, pàg. 3757–3765. DOI: 10.1080/14786435.2012.691216. ISSN: 1478-6435.
  38. Fuel Cell Systems Explained (en anglès). Segona. Wiley, 2003. ISBN ISBN 0-470-84857-X. 
  39. «Francis Thomas Bacon | British engineer» (en en). Encyclopedia Britannica.
  40. «Products|Purecell Model 400 - UTC Power», 11-12-2011. [Consulta: 19 maig 2017].
  41. Blumenthal, Richard. «Text - S.Res.217 - 114th Congress (2015-2016): A resolution designating October 8, 2015, as "National Hydrogen and Fuel Cell Day".», 29-09-2015. [Consulta: 19 maig 2017].

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]