Pila de combustible

Pila de combustible de metanol directe. La cela en sí és l'estructura cúbica del centre de l'image.

Pila de combustible, també cridada cèla de combustible o cela de combustible (comunament nomenada fuel cell en anglés) consistix en un dispositiu electroquímic en el qual un fluix continu de combustible i oxidant sofrix una reacció química controlada que dona lloc als productes i suministra directament corrent elèctrica a un circuit extern. Es tracta d'un dispositiu electroquímic de conversió d'energia, similar a una bateria. Es diferencia que està dissenyada per a permetre l'abastiment continu dels reactius consumits. És dir, produïx electricitat a partir d'una font externa de combustible i d'oxigen o un atre agent oxidant, en contraposició a la capacitat llimitada d'almagasenament d'energia que posseïx una bateria. Ademés, en una bateria els electrodos reaccionen i canvien segons cóm estiga de carregada o descarregada; en canvi, en una cela de combustible els electrodos són catalítics i relativament estables. El procés electroquímic que té lloc és d'alta eficiència i mínim impacte ambiental. En efecte, ya que l'obtenció d'energia en les piles de combustible està exenta de qualsevol procés tèrmic o mecànic intermig, estos dispositius alcancen eficiència majors que les màquines tèrmiques, que estan llimitades per l'eficiència del Cicle de Carnot. En general, l'eficiència energètica d'una pila de combustible està entre 40-60 %, i pot aplegar fins a un > 85-90 % en cogeneración, si es captura la calor residual per al seu us. Per una atra part, ya que el procés no implica la combustió dels reactius, les emissions contaminants són mínimes.

És important establir les diferències fonamentals entre les piles convencionals i les piles de combustible. Les bateries convencionals són dispositius d'almagasenament d'energia: en el seu interior hi ha uns reactius que produïxen energia fins que es consumixen. No obstant, en la pila de combustible els reactius se suministren com un fluix continu des de l'exterior, lo que permet generar energia de forma ininterrompuda. En principi, les piles de combustible podrien processar una àmplia varietat de reductors i oxidants. Pot ser un reductor qualsevol substància que es puga oxidar en una reacció química i que es puga suministrar de forma contínua (com un decorregut) al ànodo d'una pila de combustible. De la mateixa manera, l'oxidant podria ser qualsevol decorregut que es puga reduir (a una velocitat adequada) en la reacció química que té lloc en el càtodo.

Una de les primeres aplicacions pràctiques de les cèlules de combustible va ser en vehículs espacials, basades en la reacció d'hidrogen i oxigen, donant com resultat aigua, la qual pot usar-se pels astronautes per a beure, o per a refrigerar els sistemes de la nau.

El mercat de les piles de combustible està creixent. Pike Research estimava que en 2020 es comercialisaran piles de combustible estacionarias, alcançant totes elles una potència conjunta de 50 Gw.

El fabricant d'automòvils japonés Fonda, l'única firma que ha obtingut l'homologació en Japó i Estats Units per a comercialisar el seu vehícul impulsat per este sistema, el FCX Clarity, ha desenrollat també la (HES) Home Energy Station (en:), un sistema autònom i domèstic que permet obtindre hidrogen a partir de gas natural per a repostar vehículs de pila de combustible i aprofita el procés per a generar electricitat i aigua calenta per a la llar.

Història

Encara que semble alguna cosa molt recent, l'història de les piles de combustible va començar fa casi dos sigles, en 1838, en els primers estudis del científic Christian Friedrich Schönbein en Suïssa i, paralament, en els d'el físic i juriste galés Sir William Robert Grove sobre bateries gaseoses, els resultats de les quals publicaria en 1843. Hui en dia, es continua en l'ocupació d'estes cèlules en diverses aplicacions, tant portàtils (eixemple: teléfons mòvils) com estacionarias (eixemple: generació d'energia per a edificis), aixina com en diversos mijos de transport (des de submarins fins a vehículs particulars). No obstant, el seu desenroll ha travessat periodos d'oblit, per les numeroses dificultats tècniques que presenten en comparació a atres métodos d'obtenció d'electricitat. L'interés per les cèlules de combustible, i per tant el seu desenroll, s'ha donat en periodos d'escassea de recursos energètics - per eixemple, la crisis del petròleu de 1973 que precipita el desenroll de tecnologies alternatives d'energia, incloent les cèlules de combustible -. Açò es deu a que estes cèles, comparades en atres dispositius, tenen major eficiència energètica i per tant necessiten menys combustible per a produir la mateixa energia.

1843

Configuració del dispositiu de William R. Grove, segons la seua publicació "On the Gas Voltaic Battery" (1839)

En la figura es mostra el dispositiu presentat a la comunitat científica per William Robert Grove en la seua publicació "On the Gas Voltaic Battery". Per a la seua preparació, va utilisar dos electrodos de platí sumergits en àcit sulfúric, que alimentava en oxigen i hidrogen, respectivament. A partir de la dissociació de l'H2BAIX4, la reducció tenia lloc en l'electrodo alimentat en O2 (càtodo), que reaccionava en els ions H+ formant aigua. En esta reacció intervenien els electrons, que es generaven en l'ànodo durant l'oxidació de l'H2, que reaccionava en el ion BAIX42- per a formar àcit sulfúric[13]. Grove va conectar eléctricamente cinquanta d'estes celes, generant el potencial suficient com per a produir la reacció d'electrólisis de l'aigua.

1882

El físic britànic Lord Rayleigh va millorar esta configuració original. Rayleigh es va interessar pels treballs de Grove i en 1882 va presentar una nova versió més eficient, per l'aument de la superfície de contacte entre el platí, els gasos reactius i el electrolito.

• Ludwig Mond i Charles Langer varen utilisar per primera volta el terme "pila de combustible" per a referir-se a este tipo de dispositius. En 1889, estos dos científics varen realisar un gran alvanç, resolent el problema associat a l'immersió dels electrodos en el electrolito líquit i per tant, a la dificultat de l'accés dels gasos reactius als punts actius. El seu prototip permetia retindre el electrolito en una matriu sòlida no conductora, la superfície de la qual estava coberta per una fina capa de Platí o Or.

1950 i 1960

A mitan d'el XX, el desenroll tecnològic d'estos dispositius va experimentar un gran alvanç. En 1954, el científic anglés Francis Thomas Bacon va construir una planta energètica de 5 kW en una pila de combustible alcalina. La pila consistia en un ànodo de níquel, un càtodo d'òxit de níquel i liti, i un electrolito d'hidròxit de potassi concentrat al 85 %. S'alimentava en hidrogen i oxigen. Esta pila era capaç d'accionar una màquina de soldadura. En els anys 60, les paleses de Bacon (llicenciades per Pratt i Whitney en els Estats Units-a lo manco l'idea original) es varen utilisar en el programa espacial d'Estats Units per a proveir als astronautes d'electricitat i d'aigua potable, a partir de l'hidrogen i oxigen disponibles en els tancs de la nau espacial. En 1959, un equip encapçalat per Harry Ihrig va construir un tractor basat en una cèlula de combustible de 15 kW per a Allis-Chalmers. Es va expondre en EE. UU. en les fires de l'estat. Este sistema va utilisar hidròxit de potassi com electrolito i hidrogen i oxigen comprimits com a reactius.

Paralament a Pratt & Whitney Aircraft, General Electric va desenrollar la primera pila de membrana d'intercanvi de protones (PEMFCs) per a les missions espacials Gemini de la NASA. La primera missió que va utilisar PEFCs va ser la Gemini V. No obstant, les missions del Programa Apolo i les subsecuentes Apolo-Soyuz, del Skylab i del transbordador utilisaven celes de combustible basades en el disseny de Bacon, desenrollat per Pratt & Whitney Aircraft.

1970 i 1980

Entre 1970 i 1980, com a conseqüència de la crisis del petròleu i la busca de tecnologies energètiques alternatives, s'investiga en el desenroll dels materials necessaris, l'identificació de les fonts òptimes de combustible i la reducció dràstica en el cost de la tecnologia associada a les piles de combustible. Durant la década de 1980, es va començar a provar l'us de les cèlules de combustible en els servicis públics i també es va intentar en la fabricació d'automòvils. En la década dels 1990, es desenrollen grans cèlules de combustible estacionarias (fixes) per a locals comercials i industrials.

1993 i 2007

En 1993, l'empresa canadenca Ballard va desenrollar el primer vehícul comercial en pila de combustible, utilisant la tecnologia PEM.

En 2007, les cèlules de combustible es comercialisen per a aplicacions estacionarias i auxiliars. En 2008, Fonda comença la venda d'un vehícul elèctric basat en pila de combustible, FCX Clarity. Eixe mateix any, es concedix el Premi Nobel de Química a Gerhard Ertl, els estudis de la qual varen permetre conéixer cóm funcionen les piles de combustible.^{cita requerida}

• Panasonic va ser la primera empresa en el món en vendre la pila de combustible per a us domèstic. Des del seu llançament (maig de 2009) fins a setembre de 2013, va vendre 31 000 unitats en Japó.

2013

En 2013, es presenta una pila de combustible que podria representar la transició a les piles assequibles. L'empresa britànica "ACAL Energy" ha desenrollat una pila de combustible que ha conseguit un temps d'eixecució de 10 000 hores en les proves de resistència d'una pila de combustible utilisant la seua tecnologia FlowCath. A diferència del disseny d'una pila de combustible convencional d'hidrogen, la tecnologia FlowCath d'ACAL no es basa en el platí com a catalisador, oferint aixina una alternativa de cost potencialment menor. Ha substituït el platí per un catalisador líquit patentat, que actua com refrigerante i catalisador per a les cèlules i millora radicalment la durabilitat de la pila de combustible, a l'hora que reduïx el cost del sistema.

2014 - Present

L'última década ha vist la consolidació comercial de la tecnologia i un enfocament crític en la sostenibilitat. Els vehículs de pila de combustible (FCEV), com el Toyota Mirai (2014) i el Hyundai Nexe (2018), han establit un mercat caseta, encara que en volums modests comparats en els vehículs elèctrics a bateria.

El major alvanç conceptual ha segut el gir cap a l'hidrogen vert, produït en energies renovables, reconegut com a essencial per a que la tecnologia siga realment neta. Açò ha impulsat estratègies nacionals en l'UE, Japó i Corea del Sur.

Les aplicacions més prometedores es troben ara en el transport pesat. S'estan desplegant camions, autobusos urbans i els primers trens de passagers en pila de combustible, com els Coradia iLint d'Alstom en Alemània, que reemplacen a les flotes diésel en llínees no electrificades.

Tecnologia

El funcionament de la pila de combustible és similar al d'una bateria. S'obté electricitat a partir de substàncies que reaccionen químicament entre sí. No obstant, mentres que les bateries tenen una capacitat llimitada d'almagasenament d'energia, la pila de combustible està dissenyada per a permetre un abastiment continu dels reactius. Ademés, els electrodos de la pila de combustible actuen també com a catalisadors de les reaccions químiques d'oxidació/reducció.

Erro al crear miniatura:

Esquema de funcionament d'una pila de combustible.

Existixen tipos molt distints de piles de combustibles. Per a explicar el seu funcionament bàsic, es pren com a eixemple una de les més comunes, la denominada PEM (de membrana d'intercanvi protònic, en anglés Proton Exchange Membrane). L'esquema bàsic de la cela unitària d'una pila PEM es mostra en la figura de la dreta. Consta de dos electrodos: l'ànodo (a on es oxida el combustible) i el càtodo (a on l'oxidant o comburente es reduïx). El electrolito actua simultàneament com a aïllant elèctric, conductor protònic i separador de les reaccions que tenen lloc en el càtodo respecte a les que tenen lloc en l'ànodo. Per lo anterior, els electrons viagen des de l'ànodo fins al càtodo a través d'un circuit extern, generant una corrent elèctrica, mentres que els protones ho fan a través del electrolito. En el càtodo, els electrons, protones i el comburente es reduïxen, donant lloc als productes. La reacció és exotèrmica i, encara que és espontànea, sol ser molt llenta com per a ser operativa sense la presència de catalisadors. De fet, lo més comú és que els propis electrodos s'utilisen com a catalisadors. En este tipo de piles se sol utilisar hidrogen com a agent reductor i oxigen com a oxidant. És important mencionar que, per a que els protones puguen travessar la membrana, esta deu estar convenientment humidificada, perque la conductivitat protònica de les membranes polimèriques utilisades en este tipo de piles depén de la humitat de la membrana. Per lo tant, és habitual humidificar els gasos prèviament a l'ingrés a la pila. Ademés d'hidrogen pur, també es té l'hidrogen contingut en atres molècules de combustibles incloent el diésel, metanol (vejau DMFC) i els hidrur químics. El residu produït per este tipo de combustibles ademés d'aigua és diòxit de carbono, entre uns atres. Les piles de combustible es poden classificar en funció del electrolito i del combustible elegit, lo que a la seua volta determina el tipo de reaccions que es portaran a terme en els electrodos i els tipos d'ions que la corrent transportarà a través del electrolito. Hui en dia, la majoria de les cèlules de combustible en desenroll utilisen hidrogen o gasos sintètics rics en hidrogen. L'hidrogen té una alta reactivitat i pot obtindre's de formes molt diverses tant a partir de combustibles fòssils o renovables, com a partir d'un procés electrolític. Per raons pràctiques, l'oxidant més comú és l'oxigen gaseós, per la seua alta disponibilitat. Una ventaja d'utilisar la combinació d'hidrogen en oxigen, és que l'únic producte de la reacció és aigua. Per açò, esta combinació és molt utilisada en aplicacions espacials. Ademés, oxigen i l'hidrogen poden almagasenar-se criogénicamente de forma compacta. La diferència de potencial generada per una sola unitat o monocelda és inferior a un volt, per lo que cal conectar en série vàries mona-piles per a obtindre les tensions adequades per a les aplicacions més comunes. Per lo tant, en la pràctica s'utilisen sistemes de piles de combustible.

Tensió

La tensió de cela depén de la corrent de càrrega. En circuit obert, és d'1,2 volts. Per a crear suficient tensió, les celes s'agrupen combinant-les en série i en paral, en lo que en anglés es denomina "Fuel Cell Stack" (pila de cèlules de combustible). Generalment, s'usen més de 45, encara que varien segons el disseny.

Materials

Els materials usats en celes de combustible varien segons el tipo. Vore Tipos de piles de combustible. Les plaques de l'electrodo/bipolar es fan generalment de nanotubos de metal, de níquel o de carbó, i estan cobertes per un catalisador (com el platí o el paladi) per a conseguir una eficàcia més alta. El electrolito pot ser de ceràmica o be una membrana d'electrolito polimèric híbrida. Esta consta de dos polímer distints. Es disponen de manera que abdós constituïxen una estructura a on un dels polímer (que és un polímer de siloxano), fa de base perforada per a que l'atre (un electrolito polimèric), es puga distribuir en elles perforació en forma de canals.

Consideracions de disseny en les piles de combustible

• Costs. En 2002, les celes típiques tenien un cost pel catalisador de 850 € (aprox. 1000 USD) per quilovat energia elèctrica útil; no obstant, s'espera que abans de 2007, es reduïxca a uns 25 € (aprox. 30 USD) per quilovat [14]. Gràcies a un catalisador millorat en seda de carbono (carbon silk), Ballard ha conseguit una reducció del 30% (1 mg/cm² a 0,7 mg/cm²) en la cantitat de platí, sense reduir el seu rendiment (informació de 2005)[15].

Els costs PIXA (de l'anglés Membrane Electrode Assembly, o montage de l'electrodo de la membrana) del PEM (membrana intercambiadora de protones) varien segons el fabricant. Aixina, la membrana de Nafion^® d'aprox. 400 €/m² utilisada en la membrana PEM de Toyota i 3M s'està substituint pora membrana de la ITM Power, en un preu al voltant de 4 €/m² (2004). Esta membrana nova és un hidrocarbur-polímer. Una companyia holandesa que ha realisat grans inversions en este terreny està utilisant Solupor^® (un film de polietileno poroso)[16].

• Gestió de l'aigua en les PEMFC. En este tipo de celes de combustible, la membrana deu hidratarse, requerint evaporar l'aigua exactament en la mateixa mida en que es produïx. Si l'aigua s'evapora massa ràpit, la membrana se seca, la resistència a través seu aumenta, i es badarà, creant un "curt circuit" de gas a on l'hidrogen i l'oxigen es combinen directament, generant calor que danyarà la cela de combustible. Si l'aigua s'evapora massa llentament, els electrodos s'inundaran, evitant que els reactius puguen alcançar el catalisador i es pararà la reacció. Un dels objectius més importants en l'investigació sobre cèlules de combustible és l'adequada gestió de l'aigua.

• Gestió de la temperatura. Es deu mantindre la mateixa temperatura en tota la cela per a no destruir la cela per fatiga tèrmica.

• Control de fluix. De la mateixa manera que en un motor de combustió, cal mantindre una relació constant entre el reactiu i l'oxigen per a que la cela funcione eficientemente.

• Durabilitat, vida, i requisits especials per a certs tipos de celes. Els usos estacionarios requerixen normalment més de 40.000 hores operatives fiables a una temperatura de -35 °C a 40 °C, mentres que les cèlules de combustible per a automoció requerixen a lo manco de 5000 hores (l'equivalent a uns 200.000 quilómetros) baix temperatures extremes. (Vejau: Vehícul d'hidrogen). Ademés, les aplicacions per a automoció deuen permetre l'arrancada en fredor fins a -30 °C i posseir una alta potència per unitat de volum (típicament 2.5 kW per litro).

• Tolerància llimitada al CO (monòxit de carbono).

Sistemes de piles de combustible

Cela unitària

La cela unitària o mona-pila és l'element bàsic d'un sistema basat en piles de combustible. Els elements que la componen es descriuen a continuació:

• Electrolito. És al mateix temps conductor iònic, aïllant elèctric i separador del càtodo i l'ànodo. Atenent a l'estat d'agregació en que es trobe el electrolito, podem trobar-nos en dos tipos de combustible. Aixina, segons Appleby i Foulkes, tenim:
  • Piles de combustible d'electrolito líquit. En este tipo, els electrodos són porosos i el electrolito està en contacte en estos, empapant chicotetes zones. Els reactius gaseosos es difonen a través d'una prima capa d'electrolito i reaccionen electroquímicamente en les superfícies dels electrodos. La cantitat d'electrolito que pot contindre l'electrodo és llimitada. Per tant, un excés de líquit podria impedir el transport de les espècies gaseoses i també les reaccions necessàries per a l'obtenció d'energia.

• • Piles de combustible d'electrolito sòlit. Este tipo conté un elevat número de catalisadors en l'interfaç, que deuen estar elèctrica i iónicamente conectats als electrodos i al electrolito respectivament, i que ademés, estan eficientemente exposts als reactius gaseosos.

• Electrodos. Les reaccions electroquímiques tenen lloc en la superfície dels electrodos. El combustible es oxida en l'ànodo i l'oxigen es reduïx en el càtodo. Els electrodos solen ser porosos, per a permetre la difusió gaseosa (encara que existixen alguns no porosos). D'esta forma, pot establir-se un bon contacte entre les tres fases que participen en la reacció (la sòlida de l'electrodo, la gaseosa del combustible i la líquida o sòlida del electrolito). Les funcions principals dels electrodos són:
  • Conduir o desestajar els ions de la interfase ternaria.
  • Assegurar que els reactius gaseosos es distribuïxquen uniformemente en el electrolito.

• • Assegurar que els productes de la reacció es duen de forma eficient cap a la fase gaseosa.

Apilamientos

Ya que la diferència de potencial generada per una única pila de combustible és chicoteta (0.7 volts aproximadament), en la pràctica es combinen vàries en série per a conseguir el voltage d'eixida adequat a l'aplicació desijada. Llògicament, les interconexions entre les piles unitàries es realisen per mig de materials en alta conductivitat elèctrica. D'entre els numerosos tipos d'apilamientos o "stacks" (en anglés) possibles, els més usuals són els que tenen estructura plana, encara que també els hi ha tubulars.

Erro al crear miniatura:

Apilamiento pla de piles de combustible tipo PEM

Erro al crear miniatura:

Pila de combustible tubular tipo SOFC

En els apilamientos d'estructura plana, normalment s'inclouen uns elements coneguts com en "plats bipolars" (vore Combustible (animacions)). Consten de dos plats separadores situats en els extrems del sistema. per mig dels que es fan les conexions. Un actua com a ànodo i un atre com a càtodo. Ademés, estos plats separen el combustible i l'oxidant de les celes adjacents, proporcionant a la seua volta un excelent mig per al suministrament estos reactius. En molts dissenys, les plaques inclouen canals (vore figura de la dreta) que permeten la distribució uniforme del fluix de gas sobre les celes. Este disseny és prou simple eléctricamente: el camí que recorre la corrent elèctrica és relativament curt i, per tant, oferix poca resistència al pas dels electrons, i per tant poca caiguda de tensió. Un atre tipo d'apilamiento, especialment indicat per a piles de combustible que treballen a altes temperatures (com les d'òxit sòlit-SOFC), consistix en una configuració tubular (figura de l'esquerra). Este tipo de piles solen utilitzar com electrolito un material ceràmic sòlit, tal com òxit de zirconi estabilisat en òxit d'itri, en lloc d'un líquit o d'una membrana d'intercanvi.

Sistemes basats en piles de combustible

Si be la pròpia pila de combustible és el component clau, un sistema basat en piles de combustible deu incloure atres subsistema i components, coneguts com a balanç de planta (en anglés; balanç of plant o BOP). Un sistema basat en piles de combustible està format llavors per apilamiento de piles de combustible i per un BOP, degudament combinats. Existix una gran varietat de configuracions per a este tipo de sistemes. En efecte, la composició i disposició precisa dels elements del BOP depén en gran mida del tipo de pila de combustible, de la temperatura d'operació, del combustible elegit i de l'aplicació per a la que s'utilise. Ademés, les condicions d'operació específiques i els requisits de la cela individual i el disseny del apilamiento, determinen les característiques del BOP.

Erro al crear miniatura:

Sistema basat en piles de combustible

No obstant, encara tenint en conte la diversitat i flexibilitat d'estos sistemes, convé mostrar a lo manco un eixemple de quins són els components (o etapes) dels que consta un sistema basat en piles de combustibles. En la figura es mostra un esquema d'un sistema genèric basat en piles de combustible. Com pot observar-se, en la primera etapa, el combustible (hidrogen, gas natural, metà, etc.) s'introduïx en el reformador en el que, per mig d'una transformació química, es produïx un gas ric en hidrogen conegut com "reformat" i com a subproducte, monòxit de carbono en un nivell de concentració menor a 50 ppm. La següent etapa es desenrolla en el sistema purificador de gas, a on s'eliminen les impurees que poguera tindre el reformat. Una volta purificat l'hidrogen, està llest per a introduir-se en la pila de combustible. En esta etapa es genera l'energia elèctrica, per mig de la reacció electroquímica en l'oxigen. La calor generada en la reacció es pot aprofitar per a utilisar-ho per a precalentar el combustible. En el cas de piles de combustible que operen a alta temperatura (entre 600-1000 °C), la calor generada podria invertir-se en cogeneración, és dir, es pot utilisar per a moure turbines de gas i generar més electricitat, per a unitats de desulfuración, generació de productes químics, etc.

Tipos de piles de combustible

Actualment existix una gran varietat de piles de combustible en diferents etapes de desenroll. Per això, es poden classificar atenent a numeroses característiques. Les més comunes són les següents:

1. Segons el tipo de combinació de combustible i oxidant. Els combustibles típics són l'hidrogen molecular i el metanol, i normalment oxigen o aire com a oxidant. Pero com s'ha vist en la figura 2.4, es poden alimentar en una àmplia varietat de combustibles, com a hidrogen, metanol, biomassa, gasolina, carbó, etc.
2. Segons el tipo d'electrolito usat. Per eixemple: àcit fosfórico, membrana de polímer sòlit, solució alcalina, etc.
3. Segons la temperatura d'operació. Per un costat, tenim piles de combustible de baixa o mija temperatura (en temperatures inferiors a 200 °C), com les PEM, les AFC i les PAFC. Per un atre, les d'alta temperatura, que sobrepassen els 600 °C, com les MCFC i les SOFC. Segons la font que es consulte, els rancs són llaugerament distints, per lo que esta classificació no és estricta.

1. Segons la seua eficiència. En este cas, el ranc és distint depenent del tipo de pila i del tipo d'aplicació en la que s'utilise. Per eixemple, per a una PEM té una eficiència entorn a un 40% en aplicacions estacionarias i entorn a un 60% en aplicacions per al transport.
2. Segons el tipo d'us. Aplicacions portàtils, estacionarias, de transport, militars, espacials, etc.
3. Segons la seua potència. Piles de baixa potència (al voltant de 5 kW en el cas de les DMFC, per eixemple) i d'alta potència (100 kW a 2 MW en les SOFC, per eixemple).
4. Segons el catalisador utilisat. Típicament, platí, metals no preciosos o el propi material dels electrodos. També poden ser de paladi.

La forma més usual de classificació és pel tipo d'electrolito que utilisen. Es poden llavors establir, cinc tipos principals de piles, que es descriuen a continuació.

Pila de Combustible de Membrana d'intercanvi protònic (PEM)

Erro al crear miniatura:

Diagrama de pila de combustilbe tipo PEM

• Electrolito: membrana de polímer sòlit

• Catalisador: platí.

• Temperatura d'operació: al voltant dels 80-95 °C

• Eficiència elèctrica: 40-60%

Erro al crear miniatura:

Mercedes Necar 5 en el Dornier Museum

Les PEM operen a temperatures relativament baixes, tenen una alta densitat de potència i, ademés, poden variar ràpidament la seua potència d'eixida per a adaptar-se a la demanda energètica. Existixen PEMs en potències que varien entre uns pocs vats fins a varis quilovats, per lo que es poden utilisar en multitut de sistemes. Aixina, fins a 2013 la màxima potència conseguida en una planta d'energia estacionaria (instalació d'energia fixa) tipo PEM és d'1 MW, i va ser instalada per l'empresa japonesa Fonda[17]

Els sistemes de piles de combustible tipo PEM són adequats per a aplicacions que requerixquen una resposta de funcionament ràpida. Aixina, s'utilisen en una àmplia varietat de sistemes que se centren en el mercat de les telecomunicacions (tant a nivell industrial com a caser) i en vehículs per al transport de materials, com els montacargas. També s'utilisen en autobusos i s'espera que entre 2014-2016 es puguen comercialisar vehículs de passagers (turismes com el mostrat en la figura) de PEM. Les PEMs poden utilisar com a combustible hidrogen, metanol o combustibles reformats. En les PEM, el electrolito és una membrana de polímer sòlit que conté àcits sulfónicos perfluorados, i deu mantindre's completament hidratada durant l'operació per a favorir la conducció dels protones. Este requeriment llimita la temperatura d'operació per baix de 100 °C i és fonamental per a obtindre una bona eficiència. En ser aigua l'únic líquit utilisat, els problemes de corrosió són mínims.

Els principals reptes actuals en el desenroll d'este tipo de piles són: disminuir el cost i aumentar l'eficiència (lo que es traduïx en reduir la gruixa de la capa catalítica de platí i optimisar la dispersió del catalisador); millorar les prestacions de la membrana polimèrica (aumentar la conductivitat iònica i capacitat de retenció d'aigua); i trobar un material alternatiu al grafit per a la placa bipolar que siga d'alta conductivitat elèctrica i tèrmica, resistent a la corrosió, més llauger i econòmic.

Membrana d'intercanvi protònica d'alta temperatura (High-temperature PEM o HT-PEM)

Les HT-PEMs són, en essència, PEMs que poden operar a altes temperatures, entre 120 °C i 200 °C. Se solen utilisar en vehículs i, menys habitualment, per a suministrar energia a edificis. A sovint, les HT-PEMs integren un reformador (és dir, un dispositiu capaç de reformar combustibles fòssils o alcohols en gas sintètic format principalment per hidrogen i monòxit de carbono), lo que permet alimentar-les en una major varietat de combustibles.

Pila de combustible de Metanol (DMFC)

Erro al crear miniatura:

Diagrama de pila de combustible tipo DMFC

• Electrolito: membrana de polímer sòlit.

• Catalisador: Platí.

• Temperatura d'operació: al voltant dels 50-120 °C.

• Eficiència elèctrica: per damunt del 40%. De la mateixa manera que les PEMs, les DMFC utilisen com electrolito una membrana de polímer. No obstant, en els sistemes DMFC no és necessari que el combustible passe per un reformador, ya que el propi ànodo catalisador extrau l'hidrogen del metanolíquit. Ya que la temperatura mínima d'operació d'este tipo de piles és baixa, les DMFC es poden utilisar en aplicacions de chicotet tamany, com a teléfons mòvils (vore figura de la dreta), ordenadors portàtils i carregadors de bateries per a atres productes electrònics [18] [19] archivat en Wayback Machine., i també en aplicacions de tamany mig per a alimentar l'electrònica de barcos o cabanyes. En este tipo de piles, el repte consistix en trobar una membrana que permeta treballar a temperatura superior als 130 °C i que no present problemes de “crossover” (pas del reactant anódico al compartimiento catódico a través de la membrana) i en trobar un catalisador anódico més actiu per a l'oxidació directa de metanol.

Celes de Combustible Alcalinas (AFC)

Erro al crear miniatura:

Diagrama de pila de combustible tipo AFC

• Electrolito: una solució d'hidròxit de potassi en aigua.

• Catalisador: es pot usar una gran varietat de metals no preciosos.

• Temperatura d'operació: entre 105-245⁰C

• Eficiència elèctrica: 60-70%

El combustible i el comburente que s'utilisen en les AFC tenen que ser hidrogen i oxigen purs. En efecte, el CO2 (o el CO) reacciona en el KOH i es forma carbonat potásico, lo que reduïx enormement l'eficiència de la pila de combustible. Inclús en chicotetes concentracions (10 a 100 ppm) es produïx el "enverinament" de la pila per monòxit o diòxit de carbono. Per este motiu, s'utilisen principalment en el sector aeroespacial i ambients submarins, figura 2.15. La concentració del electrolito està entorn al 35-50% per a temperatures d'operació inferiors a 120 °C, podent operar a 250 °C quan la concentració és del 85%.

Estes piles són les que oferixen un major rendiment. És una de les raons per les que s'utilisen en l'exploració espacial, ya que cal posar en òrbita el combustible i la massa a elevar té que ser òptima. La NASA ha utilisat des de 1960 les AFCs alimentades en hidrogen en les missions espacials, per a proporcionar electricitat i aigua potable.

Pila de Combustible d'Àcit Fosfórico (PAFC)

Erro al crear miniatura:

Diagrama de pila de combustible tipo PAFC

• Electrolito: Àcit fosfórico líquit.

• Catalisador: Platí sobre base de carbono

• Temperatura d'operació: entre 180-205⁰C

• Eficiència elèctrica: 36-42%

Erro al crear miniatura:

Sistema de pila de combustible. PureCell® System Model

Les PAFCs poden utilisar hidrocarburs o biogás com a combustible. Les reaccions en el càtodo i en l'ànodo són semblades a les que es donen en les PEMs, pero la temperatura d'operació és més alta i també toleren millor les impurees que puga tindre el combustible. Les PAFCs s'utilisen en freqüència en cogeneración. Hui en dia, la comercialisació de les PAFCs està molt estesa. S'utilisen en freqüència per a proveir d'electricitat a edificis en alta demanda energètica, tant públics com a privats. En 1991, UTC va posar en el mercat la primera planta de generació de potència basada en esta tecnologia de pila de combustible. El sistema de potència PureCell, vore figura, suministra 200 kW de potència i uns 850 J d'energia cada hora. El temps acumulat d'operació pel conjunt de totes les unitats venudes supera els 6 millons d'hores.

Pila de Combustible de Carbonat fos (MCFC)

Erro al crear miniatura:

Diagrama de pila de combustible tipo MCFC

• Electrolito: carbonat alcalinos sobre una matriu ceràmica.

• Catalisador: dels electrodos (no platí)

• Temperatura d'operació: al voltant de 650 °C

• Eficiència elèctrica: 50-60%

En este tipo de piles, l'alta temperatura d'operació permet el reformat intern del combustible, és dir, la conversió del combustible a hidrogen es fa dins de la pròpia pila. Ya que les MCFCs no són propenses a contaminar-se en CO o CO2, poden utilisar com a combustible inclús òxits de carbono, alguna cosa que les fa especialment propícies per a alimentar-les en gasos procedents del carbó. Les MCFCs s'utilisen en aplicacions estacionarias i en cogeneración, per a proveir d'energia a edificis públics o privats. Esta tecnologia du molt temps en desenroll. En el següent enllaç es mostra una foto d'un sistema de potència de 100 W basat en tecnologia MCFC i fabricada per Texas Instruments en 1966. Els màxims exponents en el desenroll d'esta tecnologia ha segut l'alemana MTU, i el seu soci americà, Fuel Cell Energy.

Pila de Combustible d'Òxit Sòlit (SOFC)

Erro al crear miniatura:

Diagrama de pila de combustilbe tipo SOFC

• Electrolito: sòlit ceràmic o òxit metàlic no poroso.

• Catalisador: material dels electrodos (no platí).

• Temperatura d'operació: 800-1000 °C.

• Eficiència elèctrica: 50-60%

Este tipo de piles d'alta temperatura estan dissenyades per a reformar hidrocarburs llaugers (com el gas natural) de manera interna. Per tant, si es volgueren amprar hidrocarburs més pesats (com a gasolina) es requeriria d'un reformador extern. La seua forma pot ser plana o tubular. Este tipo de piles s'utilisen en una llarga llista d'aplicacions estacionarias a lo llarc de tot lo món.

Ya que actualment este tipo de piles operen entre 800-1000 °C, el repte és baixar a 600-800 °C (IT-SOFC, "Intermediate Temperature Solid Oxide Fuel Cell"). L'investigació es focaliza en disminuir la gruixa de la capa d'electrolito i en la busca de nous materials, basats en òxits lantànits o en estructura de perovskita, que presenten alta conductivitat iònica a baixa temperatura.

Comparació entre els distints tipos

A modo de resum, la taula següent compara els principals tipos de pila de combustible en estat de Comercialisació / investigació.

Tipo de Pila	Electrolito	Catalisador	Temperatura d'Operació(°C)	Potència	Eficiència Elèctrica(%)	Usos Principals	Ventages	Inconvenients
PEMFC	polímer sòlit	Platí	80-95	(0,1-100)kW	40-60 (pila) 30-50 (sistema)	Vehículs de transport (més comú) Aplicacions estacionarias (residencial i comercial) Telecomunicacions	Temperatura d'operació baixa Arrancada ràpida	Cost del catalisador Sensibilitat a les impurees del combustible
DMFC	polímer sòlit	Platí	50-120	1mW-100kW	20–30 (pila) 10–20 (sistema)	Aplicacions de chicotet tamany(teléfons mòvils, ordenadors portàtils, etc)	Facilitat de transport del metanol Alta densitat de potència del metanol	Baixa eficiència
AFC	solució d'hidròxit de potassi en aigua	metals no preciosos	105-245	(10-100)kW	60-70 (pila) 62 (sistema)	Aplicacions espacials Aplicacions militars Vehículs de transport (menys estés)	Rendiment alt Baix cost dels components	Sensible al CO2 de l'aire
PAFC	Àcit fosfórico líquit	platí sobre base de carbono	180-205	>10MW	55 (pila) 36-42 (sistema)	Aplicacions estacionarias (residencial i comercial) Vehículs de transport (més recent)	Alta tolerància a les impurees	Cost del catalisador Arranque llent Baixa densitat de potència
MCFC	carbonat alcalinos sobre una matriu ceràmica	material dels electrodos (no platí)	650	100W	50-60 (pila) 47 (sistema)	Aplicacions estacionarias (residencial i comercial) cogeneración	Alta eficiència Admet gran varietat de combustibles i de catalisadors	Corrosió deguda a les altes temperatures Arranque llent Baixa densitat de potència
SOFC	sòlit ceràmic	material dels electrodos (no platí)	800-1000	>100kW	60-65 (pila) 50-60 (sistema)	Aplicacions estacionarias (comercial i industrial) Cogeneración Vehículs de transport (trens)	Alta eficiència Admet gran varietat de combustibles i de catalisadors	Corrosió deguda a les altes temperatures Arranque llent

Atres tipos de piles de combustible

En la taula següent es presenten atres tipos de piles de combustible que estan basats en els tipos principals, pero que posseïxen característiques pròpies que les fan interessants tant per a aplicacions generals com a específiques.

Tipo de pila de combustible	Electrolito	Potència elèctrica (W)	Temperatura de treball (°C)	Eficiència de la pila (%)	Eficiència del sistema (%)	Estat
Pila de combustible d'hidrur metàlics	solució acuosa alcalina		-20			Comercial / investigació
Pila de combustible electro-galvànica	solució acuosa alcalina		>40			Comercial / investigació
Pila de combustible d'àcit fórmico	membrana polimèrica (ionómero)	< 50 W	< 40			Comercial / investigació
Bateria de zinc-aire	solució acuosa alcalina		<40			Producció en massa
Pila de combustible microbiana	Membrana de polímer o àcit húmic		<40			investigació
Pila de combustible regenerativa	membrana polimèrica (ionómero)		<50			Comercial / investigació
Pila de combustible borohidruro	solució acuosa alcalina		70			Comercial / investigació
Pila de combustible de metanol reformat	membrana polimèrica (ionómero)	5 W – 100 kW	125-300	50–60	25–40	Comercial / investigació
Pila de combustible d'etanol	membrana polimèrica (ionómero)	< 140 mW/cm²	> 25			investigació
Pila de combustible REDOX	electrolitos líquits i membrana polimèrica (ionómero)	1 kW – 10 MW				investigació
Pila de combustible ceràmica protònica	conductor d'H+ d'òxit ceràmic					investigació
Pila de combustible de carbono	varis diferents		700–850	80	70	Comercial / investigació
Bio-piles de combustible enzimàtiques	qualsevol que no desnaturalice l'enzima		<40			investigació
Pila de combustible de magnesi-aire	aigua salada		(-20)-555	90		Comercial / investigació

Comportament

La funció de Gibbs i el potencial de Nernst

En una pila de combustible es produïx una reacció electroquímica a temperatura i pressió constants que mai aplegarà a l'equilibri. Al treball que es pot obtindre en dites condicions se li crida treball de no expansió i el seu valor màxim coincidix en la variació d'energia lliure de Gibbs. En el cas d'una reacció electroquímica este treball és l'energia elèctrica necessària per a lliberar els electrons, W_elect, i ve dau pel canvi en la funció de Gibbs, ΔG_reac, de la reacció química (també se li crida energia lliure de reacció):

___*$W_{elec}=\Delta G_{reac}$

Esta expresión es particularmente útil per a evaluar el trabajo eléctrico que se produce en les célas de combustible y célas electroquímicas. El trabajo eléctrico se obté teniendo en cuenta el número n d'electrones són liberados por cada molécula producida en la reacció química, y la diferencia de potencial E que adquieren al ser liberados. Dicho trabajo es igual a –neE, siendo e la carga del electrón. Si queremos expresar la reacció por mol en lugar de por molécula, habrá que multiplicar n por el número d'Avogadro con lo que se tendrán nN_A electrones por cada mol producido. Por tanto, el trabajo asociado a la generación de nN_A electrones, con una diferencia de potencial E, es:

$W_{elec}=-nFE$

Al producto eN_A, que es la carga eléctrica d'un mol d'electrones, se le da el nombre de constante de Faraday y se designa con la letra F. Por tanto:

$W_{elec}=-nFE$

siendo $F=96485,3399(24){\text{C mol}}^{-1}$.

El potencial E es conocido como potencial de Nernst y da la tensión eléctrica que se puede obtener cuando se produce una reacció electroquímica de forma reversible. Dicho potencial también es conocido como fuerza electromotriz y es el que se obté en condiciones de circuito abierto, es decir, en ausencia de corriente eléctrica. Es usual encontrar la energía libre de reacció, o bien, els datos necesarios per a calcularla,(como entalpías y entropías) tabulados per a l'estado estándar de T=298,15 K y P = 1 atm. Dicha energía de reacció en el estado estándar se denota como ΔG⁰. per a una reacció que no ocurra en estas condiciones estándar se puede escribir

$\Delta G_{reac}=\Delta G^0+RT\ln Q$

donde Q es el Cociente de reacció. Dividiendo la ecuación anterior entre nF obtenemos la denominada Ecuación de Nernst:

$E=E^0-\frac{RT}{nF}\ln Q$

donde E⁰ es conocido como el potencial estándar de celda, que no es más que la energía estándar de reacció de Gibbs expresada en Voltios. Como en les pilas de combustible es normal tener els reactius y els productos en estado gaseoso, entonces Q se obté a partir de les presiones parcials:

$Q=\frac{\prod (Presionesparcialsdeelsproductos{)}^{{\nu }_i}}{\prod (Presionesparcialsdeelsreactius{)}^{{\nu }_j}}$

donde ν_i y ν_j són els coeficientes estequiométricos de la reacció química. Por lo que el potencial de Nernst en este caso será:

$E=E^0+\frac{RT}{nF}\ln \frac{\prod (Presionesparcialsdeelsreactius{)}^{{\nu }_j}}{\prod (Presionesparcialsdeelsproductos{)}^{{\nu }_i}}$

El potencial de Nernst és l'equivalent a la “força electromotriz” o “potencial de cela” d'una pila, que és la diferència de potencial que s'observa en una pila en circuit obert.

Rendiment

Es definix el rendiment o eficiència ideal de la conversió química a elèctrica com el cocient entre l'energia elèctrica obtinguda en el cas en el que la corrent siga infinitament chicoteta, W_{elec, ideal} o com vàrem vore en el primer apartat d'esta secció,ΔG_{reac, ideal}, i l'energia química posada en joc ∆H_reac podem escriure-ho com:

___*${\eta }_{ideal}=\frac{\Delta W_{elec,ideal}}{\Delta H_{reac}}=\frac{\Delta G_{reac}}{\Delta H_{reac}}$

Como ejemplo, puede hacerse el cálculo del rendimiento ideal en condiciones estándar (T=298,15 K y P = 1 atm), η_ideal⁰, per a una pila basada en la reacció d'hidrógeno con oxígeno:

$H_2+\frac{1}{2}{O}_2\to H_{2}O$

donde el agua producida es líquida. En estas condiciones:

$\Delta H_{reac}=285,8\frac{kJ}{mol}$

$\Delta G_{reac}=237,1\frac{kJ}{mol}$

por tanto,

${\eta }_{ideal}^0=0,83$

per a atres reaccions electroquímicas se procedería de forma anàloga. El rendimiento de les célas de combustible, a diferencia dels motores de combustión (interna y externa) no está limitado por el ciclo de Carnot ya que no siguen un ciclo termodinámico. Por lo tanto, su rendimiento es muy alto en comparación, al convertir energía química en eléctrica directamente. La diferencia de potencial en els electrodos de la pila decrece cuando existe corriente. Por conveniencia, el rendimiento d'una pila de combustible se expresa a menudo en términos del cociente entre el voltaje ideal y el voltaje real (con el que opera la pila de combustible), siendo este último menor que el primero debido a les pérdidas óhmicas y a les asociades con mecanismes de polarización dentro de la pila. La expresión de la eficiencia de la pila de combustible es la siguiente:

$\eta =\frac{\Delta W_{elec}}{\Delta H_{reac}}=\frac{V_{real}\times I\times t}{V_{ideal}\times I\times t}{\eta }_{ideal}^0=\frac{V_{real}}{V_{ideal}}{\eta }_{ideal}^0$

a on V_real és el voltage medit entre els electrodos en condicions reals de funcionament, i I és l'intensitat de corrent que circula pel circuit extern. Esta eficiència, també es coneix com a eficiència en voltage. En esta expressió es considera que tot el combustible està sent aprofitat, ya que aixina ocorre en la majoria dels motors de combustió. No obstant, en les piles de combustible no se sol donar la conversió completa del combustible sent necessari, per a calcular l'eficiència en voltage real, multiplicar l'equació anterior per un factor que nos indique quànt combustible està sent utilisat. Per tant, encara que el rendiment ideal semble molt elevat, es veu reduït per les condicions reals de funcionament. Una cèlula de combustible convertix normalment l'energia química de combustible en electricitat en un rendiment aproximadament del 50%. El rendiment no obstant depén en gran mida de la corrent que circula a través de la cela de combustible: quant major és la corrent, menor el rendiment. Cal considerar també les pèrdues degudes a la producció, al transport i a l'almagasenage. Els vehículs en cèlula de combustible que funcionen en hidrogen comprimit tenen una eficiència del 22% si l'hidrogen s'almagasena com a gas a alta pressió, i del 17% si s'almagasena com a hidrogen líquit (estes sifres deurien justificar la seua metodologia de càlcul). Les cèlules de combustible no poden almagasenar energia com una bateria, sino que en alguns usos, com a centrals elèctriques independents basades en fonts "discontínues" (solars, energia del vent), es combinen en electrolizadores i sistemes d'almagasenage per a formar un conjunt per a almagasenar esta energia. El rendiment del procés reversible (d'electricitat a l'hidrogen i de nou a electricitat) de tals plantes es troba entre el 30 i el 40%. En "usos combinats de calor i d'energia" (cogeneración), per a aplicacions a on també es requerix energia calorífica, s'accepta un rendiment més baix de la conversió de combustible a electricitat (típicament 15-20%), perque la majoria de l'energia no convertida en electricitat s'utilisa com a calor. Es pert una miqueta de calor en els gasos que ixen de la cèlula com ocorre en qualsevol caldera convencional, per lo que en esta producció combinada d'energia tèrmica i d'energia elèctrica l'eficàcia seguix sent més baixa de 100%, normalment al voltant del 80%. En térmens d'energia no obstant, el procés és ineficaç, i s'obtindrien millors resultats energètics maximizar l'electricitat generada i despuix usant l'electricitat per a fer funcionar una bomba de calor.

Comportament real

Erro al crear miniatura:

Curva de polarisació

Com s'ha indicat en seccions anteriors, el potencial de Nernst dona la “força electromotriz” de la pila de combustible, és dir, la diferència de potencial entre els seus electrodos en absència de corrent elèctrica. Una volta que el circuit es tanca i la corrent escomença a fluir apareixen pèrdues de potencial relacionades en la conducció de càrrega dins del electrolito i en fenomens de polarisació. Com a conseqüència, la diferència de potencial que es medix entre els electrodos és menor que l'ideal (potencial de Nernst) calculada en la secció anterior. Per a visualisar clarament la diferència entre abdós potencials se sol representar el potencial front a la densitat de corrent, donant lloc a la cridada curva d'operació, també cridada curva de polarisació. Dita curva, com a mostra la figura de la dreta, presenta tres regions principals d'operació. Com es mostra entre paréntesis, cada una de les regions mostrades en la gràfica anterior té associada una font de pèrdua d'eficiència:

• Pèrdues per activació: degudes a la baixa velocitat de les reaccions en la regió de polarisació per activació.

• Pèrdues òhmiques(resistives): relacionades en el fluix d'electrons a través del material dels electrodos, aixina com a la resistència al fluix d'ions a través del electrolito en la regió de polarisació òhmica.

• Pèrdues per concentració: els canvis de concentració del gas o transport de masses regió de polarisació per concentració. A continuació vorem en més detall els tipos de pèrdues citats.

Pèrdues per activació

Este tipo de pèrdues es deuen a la llentitut de les reaccions en els electrodos. Per a que les reaccions electroquímiques comencen, de la mateixa manera que en les reaccions químiques comunes, els reactius deuen superar l'energia d'activació. En realitat, en els electrodos no ocorre una sola reacció sino vàries, cada una d'elles en la seua pròpia velocitat i energia d'activació. Aixina, les pèrdues per activació són el resultat de les pèrdues degudes a cada una d'estes reaccions successives. Les pèrdues per activació s'expressen matemàticament per mig de l'equació de Tafel:

___*$\Delta E_{act}=\frac{RT}{\alpha nF}\log \left(\frac{I}{I_0}\right)$

R≡constant dels gasos ideals mida en J/molK

T≡temperatura d'operació en K

α≡coeficient de transport d'electrons (adimensional)

n≡número d'electrons per molècula (adimensional)

F≡constant de Faraday en C/mol

i≡corrent generada en A

i₀≡corrent d'intercanvi (depén del tipo de material), mida en A

Esta equació és vàlida per a valors de ΔI_act≥(50-100)mV.

Segons Barbir els factors que reduïxen les pèrdues per activació són:

• Increment de la temperatura d'operació.

• Catalisadors efectius.

• Us d'oxigen pur com a agent oxidant en lloc d'aire.

• Increment de la concentració dels reactius.

• Pressions d'operació més altes.

Pèrdues Òhmiques

Les pèrdues òhmiques es deuen a la resistència al fluix d'ions en el electrolito i a la resistència al fluix d'electrons que viagen a través de l'electrodo. Els electrodos i el electrolito solen ser materials fonamentalment òhmics, és dir, materials en els que predomina el comportament llineal de la tensió front a l'intensitat de corrent. Per tant, les pèrdues òhmiques es poden expressar a través de la llei d'Ohm:

___*$\Delta E_{ohm}=RI$

donde I es la corriente que fluye a través de la pila y R es la resistencia total, que incluye la debida a els electrones, la debida a els iones y la debida a els terminals de contacto y les conexiones:

$R=R_{elec}+R_{ionic}+R_{contac}$

Depenent de la geometria de la pila de combustible, la contribució a la resistència total de cada una d'estes resistències varia. Aixina en una pila de combustible tipo SOFC en una estructura plana domina la resistència iònica, mentres que en una SOFC de tipo tubular, domina la deguda al pas dels electrons. Els factors que reduïxen les pèrdues òhmiques són, segons Barbir:

• Utilisar electrodos fabricats en un material d'alta conductivitat elèctrica.

• Realisar un bon disseny estructural, minimisant els camins de pas de corrent.

• Us de membranes iòniques primes.

Pèrdues per concentració

Quan el transport de masses ocorre a velocitat finita en l'electrodo es llimita l'entrada de gas reactiu i la correcta evacuació dels productes, per això, a sovint ocorre que el gas de l'interior es consumix, diluint-se en els productes. Com a conseqüència, es crea un gradient de concentració entre la superfície de l'electrodo i les entrades de suministrament, que contribuïx negativament al potencial d'eixida. La taxa de transport de massa cap a la superfície d'un electrodo, es pot descriure a través de la llei de difusió de Fick:

___*$I=\frac{nFD(C_B-C_S)}{\delta }$

Donde D es el coeficiente de difusión dels reactius, C_B su concentración de máxima, C_S su concentración en la superficie y δ, es el espesor de la capa de difusión. La corriente límite, I_L, es una medida de la máxima velocidad con que el reactiu puede suministrarse al electrodo y esto ocurre cuando C_S=0. Por tanto:

$I_L=\frac{nFD{C}_B}{\delta }$

Entonces podemos expresar les concentraciones de la forma siguiente:

$\frac{C_S}{C_B}=1-\frac{I}{I_L}$

Por tanto, la ecuación de Nernst per a les especies químicas en condiciones d'equilibrio, o en circuito abierto, es:

$E_{I=0}=E^0+\frac{RT}{nF}\ln C_B$

Cuando sí hay flujo de corriente, la concentración superficial es inferior a la concentración máxima, y la ecuación de Nernst se convierte en

$E=E^0+\frac{RT}{nF}\ln C_S$

La diferencia de potencial que se produce por un cambio concentración en el electrodo, ΔE_con, se conoce con el nombre de polarización por concentración:

$\Delta E_{con}=\frac{RT}{nF}\ln C_S$

o en función de la corriente límite:

$\Delta E_{con}=\frac{RT}{nF}\ln (1-\frac{I}{I_L})$

Per a reduir este tipo de pèrdues Barbir dona les següents indicacions:

• Depurar en freqüència el contingut d'aigua en el càtodo per a que els gasos puguen difondre's adequadament.

• Incrementar la temperatura d'operació per a que l'aigua acumulada s'evapore i es reduïxca aixina, el bloqueig dels gasos que se suministren.

Variables que afecten al funcionament

El potencial d'eixida de les piles de combustible es veu afectat per les condicions d'operació (temperatura, pressió, composició del gas, aprofitament de reactius, densitat de corrent), pel disseny de la pila i per atres factors (impurees, durabilitat del dispositiu) que fan que s'allunte del valor ideal abans calculat. Per a més informació sobre este tipo de pèrdues, consultar les següents referències.

Aplicacions de les celes de combustible

Energia

Les piles de combustible són molt útils com a fonts d'energia en llocs remots, com per eixemple naus espacials, estacions meteorològiques alluntades, parcs grans, localisacions rurals, i en certs usos militars. Un sistema en pila de combustible que funciona en hidrogen pot ser compacte, llauger i no té peces mòvils importants. Degut a que les piles de combustible no tenen parts mòvils i no impliquen combustió, en condicions ideals que poden alcançar fins a fiabilitat 99,9999%. Açò equival a menys d'un minut de temps mort en un periodo de sis anys.

Aplicacions de cogeneración (us combinat de calor i electricitat) per a vivendes, edificis d'oficines i fàbriques. Este tipo de sistema genera energia elèctrica de manera constant (venent l'excés d'energia a la ret quan no es consumix), i al mateix temps produïx aire i aigua calenta gràcies a la calor que desprén. Les celes de combustible d'Àcit fosfórico (PAFC Phosphoric-Acid Fuel Cells) comprenen el segment més gran d'aplicacions de cogeneración en tot lo món i poden proporcionar eficàcia combinades propenques al 80% (45-50% elèctric + el restant com a tèrmica). El major fabricant de cèlules de combustible de PAFC és UTC Power, una divisió d'United Technologies Corporation. També s'utilisen celes de combustible de carbonat Fos (MCFC Molten Carbonate Fuel Cell) en fins idèntics, i existixen prototips de celes d'òxit sòlit (SOFC Solid-Oxide Fuel Cell). Els sistemes electrolizadores no almagasenen el combustible en sí mateixos, per lo que necessiten d'unitats d'almagasenament externes, per lo que se solen utilisar en àrees rurals. En este cas, les bateries tenen que ser de gran tamany per a satisfer la demanda de l'almagasenage, pero aixina i tot açò supon un aforro sobre els dispositius elèctrics convencionals. Hi ha molts tipos diferents de piles de combustible estacionarias aixina eficiència varien, pero la majoria són entre 40% i 60% d'eficiència energètica. No obstant, quan s'utilisa la calor residual de la pila de combustible per a calfar un edifici en un sistema de cogeneración esta eficiència pot aumentar a 85%, és dir, casi tres voltes més eficient que les plantes de carbó tradicionals. Per lo tant, en la producció a gran escala, les piles de combustible podrien aforrar un 20-40% en costs d'energia quan s'utilisa en sistemes de cogeneración. Les piles de combustible són molt més netes que les plantes energètiques tradicionals; una planta d'energia basada en pila de combustible que utilise gas natural com a font d'hidrogen podria generar menys d'una onça (28, 35 grams aproximadament) de contaminants (distints al CO2), per cada kW/h produït, mentres que en els sistemes de combustió convencionals es generarien 25 onces (708 grams).

Existix un programa experimental en Stuart Island en l'estat de Washington, a on la companyia Stuart Island Energy Initiative ha construït un sistema complet en el qual els panels solars generen la corrent per a fer funcionar varis electrolizadores que produïxen hidrogen. Dit hidrogen s'almagasena en un tanc de 1900 litros, a una pressió de 10 a 80 bar. Este combustible finalment s'utilisa per a fer funcionar una cela de combustible d'hidrogen de 48 V marca ReliOn que proporciona suficient energia elèctrica per a fins residencials en l'illa (vejau l'enllaç extern a SIEI. ORG). Un atre sistema d'este tipo es va instalar en 2011 Hempstead, NY.

Les piles de combustible poden utilisar-se en gas de baixa calitat dels abocadors o de les plantes de tractament d'aigües residuals per a generar energia i reduir les emissions de metà. La planta d'energia basada en piles de combustible més gran és una planta de 2,8 MW situada en Califòrnia.

• Protium, una banda de roc formada en la Ponaganset High School, en Glocester, va anar el primer conjunt musical del món en utilisar celes de combustible d'hidrogen per a proveir-se d'energia. La banda utilisava un Airgen Fuelcell d'1kW Ballard Power systems. El conjunt ha tocat en numerosos events relacionats en les celes de combustible incloent el CEP de Connecticut, i el 2003 Fuel Cell Seminar en Miami beach.

• Plug Power Inc. és una atra companyia important en el disseny, desenroll i fabricació de celes de combustible PEM per a aplicacions estacionarias, incloent productes dirigits a les telecomunicacions, energia bàsica, i aplicacions de cogeneración.

Cogeneración

Els sistemes combinats de piles de combustible per a produir calor i energia (CHP), incloent els microsistemas combinats de calor i energia (MicroCHP), són utilisats per a proporcionar calor i energia a llars, edificis d'oficines i fàbriques. Estos sistemes generen energia elèctrica constantment (venent l'excés a la ret quan no es consumix) i, al mateix temps, produïx aire i aigua calentes en la calor residual. Com resultat els sistemes CHP tenen el potencial d'aforrar energia primària ya que poden fer us de la calor residual, el qual és normalment rebujat pels sistemes de conversió d'energia tèrmica. El ranc de potència típic d'una cèlula de combustible domèstica és 1–3 kWel / 4–8 kWth. Els sistemes CHP conectats a refrigeradores d'absorció usen la calor residual per a la refrigeració.

La calor residual de les piles de combustible pot ser desviat en estiu directament cap al sol conseguint refredat adicional mentres que en hivern la calor residual pot ser bombejat directament a l'edifici. L'Universitat de Minesota posseïx els drets de palés d'este tipo de sistemes.

Els sistemes de cogeneración poden alcançar un rendiment del 85% (40-60 % elèctric i el restant tèrmic). Les piles d'àcit fosfórico (PAFC) són les més utilisades en els productes CHP en el món i poden alcançar unes eficiència combinades propenques al 90%. Les piles de carbonat fos (MCFC) i d'òxit sòlit (SOFC) també s'utilisen per a sistemes combinats de producció de calor i energia i tenen una eficiència elèctrica propenca al 60%. Les desventages d'estos sistemes de cogeneración inclouen alts costs i poca duració. Ademés la seua necessitat de tindre un tanc per a almagasenar aigua calenta per a suavisar la producció de calor representa un sério problema per al mercat domèstic ya que en les llars l'espai representa un gran cost.

Vehículs de pila de combustible

Automòvils

Erro al crear miniatura:

El Toyota FCHV PEM FC, un vehícul dissenyat per Toyota impulsat per hidrogen

Encara que actualment no existixen vehículs equipats en piles de combustibles disponibles per a la venda a gran escala, s'han llançat més de 20 prototips de vehículs en piles de combustible (FECV) i coches de demostració des de 2009. Entre els models de demostració s'inclouen Fonda FCX Clarity, Toyota FCHV, Fiat Phyllis i Mercés-Benz F-Cell. Des de 2011 els coches de demostració FECVs han recorregut més de 4.800.000 km, en més de 27.000 recarregues. S'ha conseguit una autonomia de 400 km entre recarregues. Ademés es poden recarregar en menys de 5 minuts. El Programa de Tecnologia de Cèles de Combustible del Departament Nortamericà d'Energia assegura que, a partir de 2011, les cèlules de combustible estan alcançant una eficiència entre el 53% i el 59% a un quarto de la seua potència i entre el 42% i el 53% a tota potència en una durabilitat de 120.000 km en una degradació inferior al 10%. En un anàlisis complet “pou-a-roda”, que no té en conte les restriccions econòmiques ni de mercat, General Motors i els seus socis estimaven que, per milla recorreguda, un vehícul alimentat en hidrogen gaseós comprimit utilisava al voltant d'un 40% menys d'energia i emetia un 45% menys de gasos culpables de l'efecte hivernàcul que un vehícul de combustió interna. Un ingenier cap del Departament d'Energia l'equip de la qual està provant coches en cèlules de combustible va dir en 2011 “que el seu atractiu potencial residix que són vehículs completament funcionals sense llímit de recarrega i per tant són una tongada directa per a qualsevol vehícul. Per eixemple, si s'està conduint un SUV de tamany màxim i es vol arrastrar un pot fins a la montanya es pot fer en esta tecnologia i no es pot fer en els vehículs actuals que funcionen solament en bateries, els quals estan més pensats per a la conducció urbana”.

Erro al crear miniatura:

Ilustració d'un coche de pila de combustible

Alguns experts creuen, no obstant, que els coches de piles de combustible mai aplegaran a ser econòmicament competitius en atres tecnologies o que es tardaran décades fins que siguen rendables. En juliol de 2011 el president i director eixecutiu de General Motors, Daniel Akerson, va dir lo següent: “El coche encara és massa car i no provablement no serà pràctic fins a més vesprada del 2020, no ho sé” encara que els preus del coche de pila de combustible d'hidrogen estaven disminuint.

En 2012, Lux Research, Inc., va publicar un artícul en el que es dia: “El somi d'una economia de l'hidrogen….. no està més prop”. Concloïa dient: “El cost de capital… llimitarà la seua adopció a no més de 5,9 GW” en 2030 en una casi “infranquejable barrera a la seua adopció llevat en àrees de mercat molt llimitades” L'anàlisis finalisava dient que en 2030 el mercat estacionario de PEM alcançaria un billó de dólars mentres que el mercat de vehículs, incloent montacargas, un total de dos billons. Atres anàlisis citen la falta d'una estructura de l'hidrogen extensiva en Estats Units com un desafiu per a la comercialisació de vehículs de piles elèctriques de combustible. En 2006, un estudi per a IEEE mostrava que, per a l'hidrogen produït per la electrólisis de l'aigua: “Aproximadament, solament un 25% de l'energia eòlica, hidràulica o solar té us pràctic” L'estudi, més alvance, mencionava que: “sembla ser que l'energia obtinguda a partir de piles de combustible d'hidrogen és quatre voltes més cara que l'energia obtinguda de la ret…. Perque les altes pèrdues d'energia (hidrogen) no poden competir en l'electricitat"(95). És més, l'estudi constatava: La modificació del gas natural no és una solució sostenible”. La gran cantitat d'energia que es necessita per a aïllar l'hidrogen d'atres components naturals (aigua, gas natural, biomassa), almagasenar el gas per compressió o liqüefacció, transferir l'energia a l'usuari, més la pèrdua d'energia quan es convertix en energia elèctrica utilisable per mig de piles de combustible deixen al voltant d'un 25% per a us pràctic.

A pesar d'açò, varis fabricants importants de coches han anunciat plans per a introduir la producció d'un model de coche en pila de combustible en el 2015. En 2013, Toyota ha manifestat que planeja introduir dit vehícul per un preu inferior a 100.000 dólars. Mercedes-Benz va anunciar que mourà la data de producció programada per al seu coche de pila de combustible de 2015 a 2014, afirmant que: “el vehícul està preparat tècnicament per al mercat…. el problema és d'infraestructura”. En l'Exposició de Coches de París en setembre de 2012, Hyundai va anunciar que planejava escomençar la producció comercial d'un model en pila de combustible (basat en el ix35) en decembre de 2012 i que esperava entregar 1000 unitats en 2015. Atres fabricants que planegen tindre llests vehículs de piles de combustible per al 2016 o abans són General Motors, Fonda en Japó i Nissan.

L'Administració de l'expresident Obama va reduir la finançació per al desenroll dels vehículs de piles de combustible, aduint que atres tecnologies de l'automòvil conseguirien una major reducció de les emissions en menor temps. Steven Chu, Secretari d'Energia dels Estats Units, va anunciar en 2009, que els vehículs d'hidrogen “no seran pràctics durant els pròxims 10 o 20 anys”. No obstant, en 2012, Chu va declarar que vea els coches de pila de combustible més viables ya que els preus del gas natural havien descendit i les tecnologies de modificació de l'hidrogen havien millorat.

Autobusos

Des de 2011 hi ha un total d'aproximadament 100 autobusos alimentats en piles de combustible distribuïts per tot lo món. La majoria dels autobusos estan fabricats per UTC Power, Toyota, Ballard, Hydrogenics, i Proton Motor. Els autobusos d'UTC han recorregut des de llavors 970.000 km. Els autobusos de piles de combustible milloren el rendiment de combustible sobre els autobusos diésel i als de gas natural entorn al 39%-141%. Els autobusos en piles de combustible s'han distribuït en llocs com: Whistler, Canadà; Sant Francisco, Estats Units; Hamburc, Alemània; Shanghái, China; Londres, Anglaterra; Sao Paulo, Brasil; i atres llocs El Fuel Cell Bus Club és un esforç cooperatiu globar per a l'ensaig d'autobusos de pila de combustible. Atres proyectes destacats inclouen:

• 12 autobusos s'han distribuït en Oakland i en l'àrea de la Baïa de Sant Francisco en Califòrnia

• Daimler AG, en 36 autobusos experimentals alimentats en Sistemes d'Energia Ballard de piles de combustible ha completat en èxit un ensaig de tres anys en 11 ciutats en juny de 2007.

El primer prototip d'autobús brasiler en piles de combustible d'hidrogen es va utilisar en Sao Paulo. Va ser fabricat en Caxias do Sul i l'hidrogen va produir en Sao Bernardo do Camp a partir d'aigua per mig d'electrólisis. El programa, cridat "*Ônibus Brasileiro a Hidrogênio", inclou tres autobusos adicionals.

Montacargas

Un montacargas de pila de combustible (també cridat camió elevador de pila de combustible) és un montacargas industrial alimentat en una pila de combustible utilisat per a elevar i transportar materials. La majoria de les piles utilisades per a la manipulació de materials són alimentades per piles de combustible PEM. En 2013 s'usaven més de 4.000 montacargas d'este tipo en Estats Units, dels quals, solament 500 varen rebre finançació del DOE (2012). Les flotes de piles de combustible les operen un gran número de companyies, entre elles: Sysco Foods, Fedex Freight, GENCO (Wegmans, Coca-cola, Kimberly Clark, i Whole Foods), i H-I-B Grocers. En Europa funcionaven 30 montacargas de pila de combustible d'Hylift. Este número es va elevar a 200 unitats en HyLIFT-EUROPE, en proyectes en França i Àustria. Pike Research va anunciar en 2011 que els montacargas alimentats en piles de combustible serien el major eix impulsor de la demanda d'hidrogen en el 2020.

Els montacargas que funcionen en piles de combustible PEM tenen ventages importants sobre els alimentats en petròleu i bateries ya que no produïxen emissions locals, poden treballar una tanda de 8 hores seguides en un sol tanc d'hidrogen, poden recarregar-se en 3 minuts i tenen una duració de 8-10 anys. Habitualment s'utilisen en almagasens refrigereu-vos ya que el seu rendiment no es veu afectat per les baixes temperatures. Moltes companyies no utilisen montacargas alimentats en petròleu ya que estos vehículs s'utilisen en interiors a on es deuen controlar les emissions i en el seu lloc s'estan passant als montacargas elèctrics. En el disseny les piles de combustible es fabriquen de manera que puguen ser repostes immediatament.

Motocicletes i bicicletes

En 2005, un fabricant anglés de piles de combustible alimentades en hidrogen, Intelligent Energy(IE), va produir la primera motocicleta propulsada en hidrogen, cridada l'ENV (Vehícul d'Emissió Neutra). La motocicleta almagasena suficient combustible com per a funcionar durant 4 hores i recórrer 160 km en un àrea urbana, a una velocitat màxima de 80 km/h. En 2004, Fonda va desenrollar una motocicleta basada en pila de combustible que utilisava un apilamiento de piles de combustible de Fonda.

Atres eixemples de motocicletes i bicicletes que usen piles de combustible d'hidrogen són la scooter de la companyia taiwanesa APFCT que usa el sistema de combustible de l'italiana Acta Spa i la scooter Burgman de Suzuki en una pila de combustible IE que va rebre l'EU Whole Vehicle Type Approval en 2011. Suzuki Motor Corp i IE han anunciat una aventura empresarial conjunta per a accelerar la comercialisació de vehículs d'emissió zero.

Avions

En 2003, el primer avió (no tripulat) enterament propulsado per mig de piles de combustible va fer el seu primer vol. La píla de combustible era un únic disseny d'apilamiento Flatstack^TM, que li permetia estar integrat en les superfícies aerodinàmiques de l'avió.

Hi ha hagut varis vehículs aéreus en piles de combustible no tripulats (UAV). Un UAV Horizon Fuel Cell va establir el récort de distància de vol per a un UAV chicotet en 2007.

Els investigadors de l'empresa Boeing i atres socis empresarials en Europa varen portar a terme vols de prova en febrer de 2008 en un avió tripulat propulsado solament per una pila de combustible i bateries llaugeres. L'aixina cridat “avió demostrador de pila de combustible, usava un sistema híbrit compost per una pila de combustible PEM i una bateria d'ion liti per a propulsar un motor elèctric acoplat a un propulsor convencional. En abril de 2008, en Toledo (Espanya), la companyia Boeing va fer volar el primer avió propulsado per pila d'hidrogen. De manera parecida Airbus està desenrollant un prototip d'avió que utilisa esta tecnologia. Els militars estan interessats especialment en esta aplicació pel seu soroll escàs, la poca calor que desprenen i per la seua capacitat per a alcançar gran altitut. En 2009 el Ion Tiger delaboratori d'Investigació Naval (NRL en les seues sigles en anglés), va fer un vol de 23 hores i 17 minuts utilisant una pila de combustible d'hidrogen. Les piles de combustible també s'estan utilisant per a suministrar energia adicional en els avions, reemplaçant els generadors de combustible fòssil que s'utilisaven anteriorment per a encendre els motors i proporcional energia a bordo. Els avions propulsados per piles de combustible poden ajudar en la reducció d'emissions contaminants i de soroll.

Barcos

El primer barco de pila de combustible HYDRA va usar un sistema AFC en una potència d'eixida neta de 6.5 kW. Islàndia s'ha compromés a convertir la seua vasta flota de barcos de peixca en barcos que usen piles de combustible per a proporcionar potència auxiliar per al 2015 i, finalment, per a proporcionar la potència primària. Ámsterdam recentment ha introduït el primer ferry de passagers que fa un recorregut pels famosos canals de la ciutat alimentat en piles de combustible.

Actualment, un equip d'estudiants universitaris cridat Energy-Quest està preparant un barco accionado per esta tecnologia per a fer un viage al voltant del món, aixina com atres proyectes usant combustibles més eficients o renovables. La seua empresa es diu Salamandra.

Submarins

Submarí Type 212 en el port

Els submarins Type 212A, un alvançat disseny alemà de submarins no nuclears, utilisa piles de combustible (desenrollades per Siemens) per a alimentar nou propulsors i pot mantindre's sumergit durant semanes sense tindre que pujar a la superfície. El sistema consistix en 9 piles de combustible PEM, que proporcionen entre 30 kW i 50 kW cada una. És silenciós, lo que li dona ventaja en la detecció d'atres submarins.

Un sistema propulsor semblat de piles d'hidrogen, encara que millorat tenen els submarins espanyols S-80 desenrollat per Abengoa.

Estacions de servici

La primera estació d'abastiment d'hidrogen com a combustible va ser oberta en Reykjavík, Islàndia en abril de 2003. Esta estació abastix a tres autobusos construïts per DaimlerChrysler i que presten servici en la ret de transport públic de Reykjavík. La pròpia estació produïx l'hidrogen que necessita, gràcies a una unitat electrolizadora (fabricada per Norsk Hydro), i no necessita ser abastida externament: els únics suministraments necessaris són electricitat i aigua. Shell també participa en el proyecte. L'estació no té coberta, per a que en cas de perill'hidrogen puga escapar lliurement a l'atmòsfera. En 2010 hi havia 85 hidrogeneras en Estats Units. En 2012, Califòrnia contava en 23 hidrogeneras en funcionament. Fonda va anunciar, en març de 2011, que planejava obrir la primera estacióin que generaria hidrogen per mig d'electrólisis produïda per energia solar. Carolina del Sur també té dos hidrogeneras, en Aike i Columbia respectivament. l'Universitat de Carolina del Sur, un membre fundador de l'Aliança de l'Hidrogen i les Piles de Combustible de Carolina del Sur, va rebre 12.5 millons de dólars del Departament Nortamericà d'Energia per al seu Programa Combustibles del Futur.

Es planeja que les 14 estacions alemanes siguen 50 en 2015 a través del seu colaboració públic-privada Now-GMBH. Japó conta en una autopista d'hidrogen, com a part del Proyecte Japonés de Piles de Combustible d'Hidrogen.

Sistemes d'energia portàtils

Els sistemes d'energia portàtils basats en piles de combustible es poden utilisar en el sector de l'oci (p. eix. caravanes, cabanyes, llanches), el sector industrial (p. eix. per a alimentar pous de gas o petròleu situats en llocs remots, torres de comunicació, seguritat, estacions meteorològiques, etc..) i el sector militar.

Atres possibles usos

• Plantes de potència base

• Sistemes Auxiliars d'Energia

• Proporcionar energia per a estacions de ràdio base

• Sistemes de centralisació d'energia

• Sistemes d'energia d'emergència, en els que es que inclouen allumenat, generadors i atres aparats que proporcionen respal en situacions crítiques o quan els sistemes normals fallen. Es poden utilisar en molts llocs, des de llars a hospitals, centres d'investigació i centres de senyes.

• Equip de telecomunicacions i moderns equipaments navals.

• Sistema d'alimentació ininterrompuda UPS (de l'anglés uninterruptible power supply), proporciona energia en cas d'emergència i, depenent de la topología, regula la llínea ademés de l'equip proporcionat energia des d'una font separada quan l'atra no està disponible. A diferència d'un generador en modo d'espera, proporciona protecció instantànea contra una interrupció momentànea de la llínea.

• Piles de combustible d'hidrogen solars per al calfament d'aigua.

• Vehículs híbrits, utilisant, per eixemple una pila de combustible i una bateria.

• Sistemes de respal a la ret elèctrica

• Ports portàtils per a instruments electrònics chicotets (p. eix., una pinça per al cinturó que carrega el teu mòvil o PDA)
• Teléfons inteligents, portàtils i tabletas.

• Aparats de calefacció chicotets

• Conservació de menjar, conseguida eliminant l'oxigen i automàticament mantenint l'absència d'oxigen en un contenidor que continga per eixemple peix fresc.

• Alcoholímetros, a on el voltage generat per la pila s'usa per a determinar la concentració de combustible en la mostra (alcohol)

• Detectors de monòxit de carbono, sensor electroquímic. En l'actualitat, els majors problemes residixen en els materials de soport i de catálisis. Segons diversos autors(Venkatachalapathy, Davila et al. 1999), (Hoogers 2003), un material electrocatalizador deu satisfer varis requisits. Necessita, en primer lloc, alta eficiència en l'oxidació electroquímica del combustible en l'ànodo, (i. g. H₂ o CH₄) i per a la reducció de l'O₂ en el càtodo. Una elevada durabilitat és també un requisit fonamental: s'espera que les PEMFCs funcionen a lo manco durant 10 000 hores. És necessari que un electrocatalizador tinga una bona conductivitat elèctrica per a reduir al mínim les pèrdues per resistència en la capa del catalisador. Ha de tindre finalment un baix cost de producció.

Economia i Mig ambient

En 2012, els ingressos de l'indústria de les piles de combustible varen superar el billó de dólars en el mercat de valors en tot lo món. No obstant, encara en octubre de 2013, cap companyia cotisada en l'indústria era encara rendable. Es varen enviar globalment 140 000 apilamientos de cèlules de combustible en 2010, 11 000 més que en 2007, i des de 2011 fins a 2012 la taxa de creiximent d'enviaments va ser del 85 %. Tanaka Kikinzoku Kogyo K. K va aumentar les seues instalacions per a la producció de catalisadors per a piles de combustilbes a fi de donar resposta a la demanda anticipada ya que la Japanese ENE Farm esperava instalar 50 000 unitats en 2013 i la companyia està experimentant un ràpit creiximent de mercat. Aproximadament el 50 % dels enviaments de piles de combustible en 2010 varen ser piles de combustible, en comparació al terç de 2009, i els quatre productors dominants en l'indústria de les piles de combustible eren els Estats Units, Alemània, Japó i Corea del Sur. El Departament d'Energia de l'Estat Sòlit i l'Aliança de la Conversió d'Energia varen trobar que, en juny de 2011, les piles de combustible fixes varen generar potència a un preu de 774–775 dólars per quilovat instalat. En 2011, Bloom Energy, un gran proveïdor de piles de combustible, va dir que les seues piles de combustible generaven energia a 9 -11 cèntims per quilovat-hora, incloent el preu del combustible, manteniment i equips.

Els grups industrials prediuen que hi ha suficients reserves de platí per a la demanda futura, i en 2007, l'investigació portada a terme en Brookhaven Nationalaboratory va sugerir que el platí podria ser reemplaçat per un recobriment d'or i paladi, que podria ser menys susceptible d'enverinament i per tant allargar la vida de la pila de combustible. Un atre método podria ser l'utilisació de ferro i sofre en lloc de platí. Açò abaratiria el cost de les piles (ya que el platí d'una pila de combustible típica costera al voltant de 1500 dólars americans i el ferro necessari costaria 1,50 dólars). El concepte estava sent desenrollat per una coalició formada pel centre John Innes i l'Universitat de Milà-Bicocca. Els càtodos PEDOT són immunes a l'enverinament per monòxit.

Les piles de combustible són molt atractives per a usos alvançats per la seua alta eficàcia i idealment (vejau energies renovables) per ser d'emissions zero, en contrast en els combustibles actuals més comuns, com puguen ser el metà o el gas natural, que sempre generen diòxit de carbono. Casi el 50 % de tota l'electricitat que és produïda en els Estats Units, és procedent del carbó, que és una font d'energia altament bruta. Si s'utilisa electrólisis per a crear l'hidrogen usant l'energia procedent de les centrals elèctriques, en realitat l'hidrogen és creat a partir de carbó. Encara que la cela de combustible solament emeta calor i aigua com a residus, el problema de la contaminació continuarà present en les centrals elèctriques. Un acostament global deu considerar els impactes provocats per l'escenari complet de l'hidrogen, lo que inclou la producció, l'us, l'infraestructura i els conversores d'energia. Les piles de combustible hui en dia estan sobredimensionar de catalisador, per a compensar la seua pròpia deterioració [20]. La llimitació en les reserves minerals de platí ha provocat la busca d'atres solucions, per eixemple la síntesis d'un complex inorgànic molt similar a la base catalítica del ferro-sulfure de les bactèries hidrogenasas [21]. Les reserves mundials de platí serien insuficients (una quarta part) del necessari per a permetre una conversió total dels vehículs a cèlules de combustible: una introducció significativa de vehículs en l'actual tecnologia, per lo tant, provocaria un gran increment del preu del platí i un descens significatiu de les seues reserves. No obstant, treballs recents han conseguit dissenyar catalisadors de ferro i nitrogen tan eficients com els de platí, pero en una menor vida útil (100 hores).

Glossari de térmens

• Electrodo: Extrem d'un cos conductor en contacte en un mig del que rep o al que transmet una corrent elèctrica

• Ànodo: Electrodo en el que es produïx l'oxidació. Per a piles de combustible i atres piles galvàniques l'ànodo és el terminal negatiu; per a piles electrolítiques(en les que es produïx la electrólisis) l'ànodo és el terminal positiu.

• Càtodo: Electrodo en el que es produïx la reducció (guany d'electrons). Per a piles de combustible i atres piles galvàniques el càtodo és el terminal positiu; per a piles electrolítiques el càtodo és el terminal negatiu.

• Electrolito: Una substància que conduïx ions carregats d'un electrodo a un atre en una pila de combustible, bateria, o electrolizador.

• Apilamiento: Piles de combustible individuals conectades en série. Les piles de combustible s'apilen per a aumentar el voltage.

• Solució: A: un procés pel que un sòlit, líquit, o una substància gaseosa es mescla homogéneamente en un líquit o, a voltes en un gas o en un sòlit; B: una mescla homogénea formada per este procés; C: la condició de ser dissolt

• Catalisador:Una substància química que aumenta la velocitat d'una reacció sense ser consumida.

• Matriu:lloc des del qual o en que el seu interior alguna cosa s'origina, desenrolla o pren forma.

• Membrana: La capa de separació en una pila de combustible que actua com electrolito i com una película de barrera que separa els gasos en els compartimientos anódico i catódico de la pila de combustible.

Videos sobre piles de combustible

En esta secció es resumiran els principals aspectes referits a trentacinc videos seleccionats i es farà breu una resenya dels mateixos. La selecció s'ha centrat en videos de caràcter divulgatiu i sobretot, en els que tracten els aspectes científics i tècnics de les piles de combustible. No obstant, en la finalitat de complementar el rigor científic dels atres videos, també s'han seleccionat videos les explicacions dels quals són escuetes pero que nos oferixen una perspectiva visual del dispositiu que estem tractant i de les seues aplicacions. La llista consta d'11 videos en espanyol i 24 en anglés. L'enllaç directe a la llista de reproducció és el següent:

Piles de Combustible

Videos en espanyol

1º Les piles de combustible.

• Enllaç directe
• Autor: Universitat de Vigo, Prof. Anxo Sánchez Bermúdez
• Duració: 19:55 minuts.
• Descripció: introducció a les piles de combustible. Definix clarament este tipo de dispositius i parla dels seus distints aspectes de forma general i sense afondar en detalls. No obstant, cal tindre en conte que quan parla de les característiques, les ventages i inconvenients s'està referint principalment a la pila d'hidrogen. Es tracta puix d'un video de caràcter divulgatiu i molt útil per a una primera aproximació a la temàtica.

2º Série de videos: Energia de l'Hidrogen.

• Enllaç directe
• Autor: Universitat Politècnica de Madrit, realisat per alumnes.
• Duració: 1:58 hores

• Descripció: es tracta de nou de presentacions realisades pels alumnes de la UPM sobre les piles de combustible d'hidrogen i les seues distintes aplicacions; cada presentació se centra en aspecte distint. L'interés d'estos videos residix que en ells es mostren i analisen un gran número d'aplicacions que poden tindre estos dispositius. A pesar de que se centren en aspectes i aplicacions concrets, generalment poden ser entendibles per al públic no especialisat lloc que no se solen expondre detalls molt tècnics i algunes de les presentacions comencen en una chicoteta introducció sobre les piles de combustible. A continuació es mostra una descripció de cada u dels videos que compon la série:
  • Aplicacions estacionarias dels diversos tipos de piles de combustible: Es descriuen les principals característiques dels distints tipos de pila de combustible i les seues aplicacions en la generació de potència estacionaria.
  • Aplicacions en automoció: Es descriuen els prototips fabricats per les distintes companyies d'automòvils: s'expon l'estat de l'implantació comercial dels automòvils impulsats en piles de combustible.

• • Aplicacions portàtils de les piles de combustible: Es discutix l'elecció de combustible en el cas de les piles de combustible utilisades en aplicacions portàtils i es mostren alguns prototips.
  • Us de l'hidrogen en vehículs aeroespacials 1: S'explica l'àmbit d'aplicació i l'us de les piles de combustible en transbordadors espacials i en avions tripulats i no tripulats.
  • Us de l'hidrogen en vehículs aeroespacials 2: Continua a on termina el video anterior complementant-ho. S'expliquen els tipos de propulsió de vehículs aeroespacials en us de l'hidrogen: piles de combustible, motors de combustió interna i sistemes híbrits. Es detalla el "Proyecte Aviazor".
  • Proyectes que desenrollen propulsió de vehículs aeroespacials en hidrogen: Es continua l'en la temàtica del video 5, descrivint les diferents etapes i les característiques dels proyectes alguns proyectes com: "Ion Tiger", "Solareagle", "Phantom Eye" i "Global Observer".

• • Aplicacions de la piles de combustible en el mig marí: Es dona una visió general sobre qué és una pila de combustible, la seua classificació i les seues principals ventages. S'oferix una breu visió de les possibles aplicacions dels distints tipos de piles de combustible en el mig marí.
  • Aplicacions de les piles de combustible en artefactes submarins: Es descriuen els submarins existents que conten en la seua propulsió en piles de combustible. S'explica qué és un sistema AIP (Air Independent Propulsion). S'explica en especial el submarí S-80 que utilisarà hidrogen procedent de bioetanol reformat per a alimentar piles de combustible PEMFC. Es descriuen també artefactes submarins autònoms no tripulats.
  • Aplicacions de les piles de combustible en bucs de superfície: Es descriuen proyectes d'embarcacions de superfície que incorporen piles de combustible en el seu sistema de propulsió principal o per a atendre consum elèctric o com a unitats de potència auxiliar. S'estudia l'efecte de la reducció d'emissions com a conseqüència de l'us de piles de combustible en el món marí.

3º Pila d'hidrogen.

• Enllaç directe
• Autor: Tecnópolis. Presentat per Vicente López
• Duració: 1:40 minuts.
• Descripció: Explicació breu pero concisa sobre el vehícul de pila de combustible d'hidrogen i sobre la viabilitat de l'hidrogen com a vector energètic, destacant les ventages migambientals de la seua utilisació.
• Enllaç directe

4º Autobusos en pila de combustible.

• Enllaç directe
• Autor: Cursos CEER.
• Duració: 1:53 minuts.
• Descripció: explicació dinàmica en figures i text sobre el funcionament d'una pila de combustible tipo PEM. Es descriuen els components principals i es mostra la seua ubicació específica en la pila. Finalment, es veu la seua aplicació en un vehícul de transport(autobús).

5º Produir electricitat per mig de les plantes.

• Enllaç directe
• Autor: Euronews.
• Duració: 1:58 minuts.

• Descripció: En este video es mostra com les plantes verdes generen electricitat. Es tracta del proyecte Plant-i de l'Universitat de Wageningen dels Països Baixos. La pila de combustible vegetal microbiana genera electricitat a partir de l'interacció natural entre les raïls de les plantes i les bactèries del sol. Funciona per mig de l'aprofitament de fins al 70% de material orgànic produït a través de la fotosíntesis que no utilisa la planta i que se segrega per les raïls. Les bactèries que estan junt a les raïls interactuen en els residus orgànics, lliberant electrons. I aixina es genera electricitat: colocant un electrodo que absorbix els electrons lliberats.

6º Cèles de combustible.

• Enllaç directe
• Autor: Universitat Politècnica de Valéncia, Javier Orozco Messana.
• Duració: 11:01 minuts.
• Descripció: Es tracta d'una introducció a les piles de combustible. Comença en una breu definició. Continua en un recorregut històric. Posteriorment se centra en el funcionament prenent com a eixemple una pila d'hidrogen i després parla dels demés tipos de piles.

Videos en anglés

1º How does a fuel cell work?

• Enllaç directe
• Autor: Naked Science Scrapbook.
• Duració: 4:01 min.
• Descripció: Introducció a les piles de combustible. Les explicacions es realisen per mig de dibuixos en un quadern acompanyat d'una veu en off. Comença anunciant-les com la possible tecnologia del futur i fa referència a les seues possibles aplicacions en distints dispositius. Explica els seus principis de funcionament prenent com a eixemple una pila d'hidrogen i després explica el funcionament i les aplicacions de les PEMFC, de les AFC i de les SOFC. Aludix en repetides ocasions a les ventages que oferixen estos dispositius front als métodos d'obtenció d'electricitat tradicionals.

2º How a fuel cell works?

• Enllaç directe
• Autor: University of Waterloo Alternative Fuel Cell Team.
• Duració: 1:51 minuts.

• Descripció: explicació divulgativa sobre el funcionament del coche de pila de combustible d'hidrogen. Es mostra la seua ubicació dins del vehícul aixina com la del combustible. S'explica el funcionament lo que ocorre dins d'una cela individual per mig d'una animació.

3ºBuilding a Fuel Cell Stack.

• Enllaç directe
• Autor: Schatz Energy Research Center.
• Duració: 11:05 minuts.
• Descripció: en este video mostra el procés de montage d'un apilamiento de piles de combustible tipo PEM. Comença exponent breument el mecanisme de funcionament d'una pila de combustible d'este tipo. Per últim, se nos mostra cóm es realisa el montage passe a pas, tot això acompanyat de les explicacions pertinents.

4º OWI's Salt Water Fuel Cell Car.

• Enllaç directe
• Autor: ABC News.
• Duració: 1:45 minuts.
• Descripció: el video mostra un coche de joguet el combustible del qual és aigua salada que pot funcionar de manera contínua de 5 a 7 hores. Este automòvil dona l'oportunitat tant a chiquets com a adults de deprendre sobre les formes d'energia neta.

5º Toyota's Fuel Cell Vehicle: A Zero-Emission Car Coming 2015!

• Enllaç directe
• Autor: DNews.
• Duració: 3:27 minuts.
• Descripció: en este video es mostra un vehícul de pila de combustible d'hidrogen que eixirà al mercat en 2015. S'entrevista a l'ingenier superior de Toyota Fuel Cell Group, qui dona una breu explicació de lo que és una pila d'hidrogen i descriu breument el funcionament d'un vehícul d'hidrogen i la diferència que hi ha entre este i els vehículs híbrits. Es fa recalcament en que es tracta d'una tecnologia neta. des del punt de vista migambiental.

6º Virtual Fuel Cell Interactive Visualization.

• Enllaç directe
• Autor: NASA Glenn Graphics and Visualization Lab.
• Duració: 1:36 minuts.

• Descripció: video fet a partir d'un programa de simulació d'una pila de combustible de configuració tubular. La simulació permet controlar la cantitat d'impurees del combustible, veent-se aixina, cóm una elevada cantitat d'estes afecten directament al funcionament de la pila. També es pot controlar la velocitat de la simulació i la potència d'eixida de la pila.

7º Série de videos: Introduction to the Fuel Cell.

• Enllaç directe
• Autor: Universitat Politècnica de Valéncia: María Desamparats Ribes Greus.
• Duració:1:59:41 hores
• Descripció: en esta série de videos es fa un complet anàlisis sobre el funcionament de les piles de combustible. Es tracta pràcticament tota la temàtica exposta en esta memòria des d'un punt de vista científic-tècnic, les explicacions estan fetes de forma clara i, en la mida que l'especialisació de la temàtica ho permet, divulgativa. Es tracta d'una puix d'una completa guia d'introducció, per això, s'ha inclós la série sancera.

• • Main Aspect: es donen a conéixer els aspectes fonamentals i les propietats de les piles de combustible; se centra en el seu paper en l'entorn de les energies renovables. Es tracta a modo introductori varis aspectes generals de les piles de combustible: la seua electroquímica, la seua estructura bàsica, les seues principals característiques i les seues aplicacions. En els videos següents es profundisarà en els temes citats.
  • Electrochemical Basis of Fuel Cells: tracten, en major profunditat, els fonaments electroquímics del funcionament de les piles de combustible i bateries elèctriques i les bases per a poder resoldre problemes per al càlcul del potencial elèctric.
  • Main Components of a Fuel Cell: este video mostra els principals components (segons el seu criteri) d'una pila de combustible, l'electrodo i el electrolito, i descriu les seues funcions. Finalment parla dels atres components que es troben en estos dispositius.

• • General criteria for the classification of fuel cells: este video té un nom distint en la llista de reproducció: "Power Plants". No obstant, el nom de la presentació en és que s'ha posat al principi. Es classifiquen les piles de combustible per la seua temperatura d'operació i després es parla dels tipos d'electrolito que poden utilisar.
  • Fuels: com el seu propi nom indica, en este video es presenten els combustibles més comunament utilisats en les piles de combustible.
  • Proton exchange membrane fuel cells: s'exponen les característiques bàsiques de les PEMFC, els seus components i el seu funcionament.
  • Transport in PEMFC: s'expliquen els fenomens de transport que tenen lloc dins d'una pila de combustible Es veu el pas del combustible per l'ànodo (i del comburente pel càtodo) a on tenim partícules de platí (catalisador) i pel electrolito. Posteriorment es descriuen els fenomens que tenen lloc en la membrana polimèrica.
  • Fuel cell power plant: es fa un breu repàs del funcionament d'una cela individual per a després donar pas a explicar lo que és un apilamiento i la seua inclusió en una planta d'energia.

• • Fuels. Hydrogen: descriu les característiques principals de l'hidrogen com a combustible, destacant les que ho fan medioambientalmente atractiu. També senyala els inconvenients associats a la seua extracció, transport i perill d'explosió.
  • Applications of fuel cells: com el seu propi nom indica, el video tracta sobre les distintes aplicacions en les que s'utilisen les piles de combustible. Comença parlant de les característiques generals i després, dona pas a les aplicacions fixes. Per últim es parla de les aplicacions portàtils.
  • Deviations from ideal Behaviour: s'expliquen els fenomens que provoquen la reducció d'eficiència que té lloc en les piles de combustible en operació, comparant el seu funcionament en l'ideal. S'exponen les expressions que permeten descriure i predir el seu comportament.
  • Overpotential: descriu els distints tipos de pèrdues, per activació, resistives i per concentració, associades a les distintes regions de la curva de polarisació de la pila de combustible.

• • Direct Methanol Fuel Cells: es presenten les piles de combustible de metanol (DMFC) i les d'etanol. Es tracten els seus fonaments i les ventages i les llimitacions del seu us respecte a atres piles de combustible, comparant-la majorment en la PEM.
  • Alkaline Fuel Cell: descriu el funcionament de la pila de combustible alcalina. Parla de les seues ventages i inconvenients i les compara en atres tipos de piles de combustible. També es presenten les seues aplicacions més comunes.

8º Compact, high-power hydrogen fuel cell for release in spring 2013

• Enllaç directe
• Autor: Diginfo TV
• Duració: 2:46 minuts.
• Descripció: el video nos mostra distints tipos de pila de combustible dissenyats per l'Universitat de Kyoto aplicables tant a dispositius que en requeriments de potència baixos (teléfons mòvils, ordenadors portàtils, etc) com a mijos(televisors de plasma) i inclús en potències altes que permeten alimentar varis aparats la simultàneament o generar electricitat per a una llar.

Vore també

• Hidrogen
• Hidrogenera
• Economia d'hidrogen
• Metanol (combustible)
• Metanol
• Etanol (combustible)
• Etanol
• Biocarburant
  • Biodiésel
  • Bioetanol
  • Cànem

Bibliografia

• Gregor Hoogers, Hoogers Hoogers - Fuel Cell Technology Handbook - Edita:CRC Press giner de 2003 - ISBN 0-8493-0877-1
• Venkatachalapathy, R., G. P. Davila, et al. (1999). "Catalytic decomposition of hydrogen peroxide in alkaline solutions." Electrochemistry Communications 1: 614-617.

Enllaços externs

Commons

• Wikimedia Commons alberga contingut multimèdia sobre Pila de combustible.
• Combustible (animacions)
• Combustible
• Cèla o Pila de Combustible, Video curt del Discovery Channel
• Cèla o Pila de Combustible (PEMFC), animation
• Electrocell - Cela de Combustible, Stacks, Equipament de Testes
• [22]
• Power Systems
• Hydrogen Fuel Cell Realm
• Cell Types
• Programa d'Infraestructures i Celes de combustible del govern d'EE. UU.
• Stuff Works: Celes de Combustible
• de celes de Combustible
• [23]
• Energy Inc.
• Power, una subsidiària d'United Technologies Corporation
• Plug Power Fuel Cell Systems
• [24]
• Island Energy Initiative (en anglés)
• Goretex per a vehículs híbrits
• [25]
• Pirncipals components de les piles de combustible

• National Geografic. Piles de combustible
• American History
• Informació sobre piles de combustible
• Espanyola de l'Hidrogen
• Fuel Cell HandBook (imàgens dellibre explicades)

• Fuel Cell Industry Review 2012
• Tipos de piles de combustible
• Cell Advances
• potència marcada per Estats Units
• Piles de combustible: de la pila de Volta als coches elèctrics (UNED)
• "Made in UNED"
• Raïls vegetals i bactèries: una inesperada font d'electricitat
• "Elbota l'hidrogen"
• "Everything you'veu always wanted to know about electricity energy storage technology options"
• "RecentDOEBreak-Throughwith Hydrogen Fuel Cells, should make them Affordable"
• and Fuel Cells Program.2013 Annual Progress Report [26] archivat en Wayback Machine.

• [27] [28] archivat en Wayback Machine.
• cóm va sorgir la vida en la Terra
• Global Energy Corp. Announces Biogas Power Generation Order [29] archivat en Wayback Machine.
• Water management in regenerative fuel cells
• ENERGÈTICA