Celdas de Hidrógeno

CELDAS DE COMBUSTIBLE
A.      INTRODUCCIÓN
Una celda de combustible es un dispositivo en el cual se convierte la energía química directamente en energía eléctrica, obteniendo en muchas de ellas agua como residuo.
El mecanismo para la generación de energía es hacer que la transferencia de electrones entre los reactivos (para el proceso redox) pase por un conductor.
Las celdas de combustiblefuncionan como transformadores de la energía química (no se almacena energía como es el caso de las baterías). Por lo tanto, para la generación de la energía eléctrica necesitan siempre ser provistos  de combustible y comburente. La potencia generada por el sistema dependerá de la cantidad de celdas o el tamaño de las celdas y la capacidad del depósito que contiene al combustible.
La primera celdade combustible fue construida en 1839 por Sir William Grove. Sin embargo, las prestaciones de la pila eran limitadas y no fue hasta el año 1952 cuando se logro un verdadero avance: Francis Bacon presentó una pila que otorgaba 5kW.  No obstante, la gran utilidad de las celdas de combustible  llegó a comienzos de los años 60"s cuando se desarrollaron para el programa espacial de los Estados Unidosdebido a su seguridad y confiabilidad. Los reactivos de la celda utilizada eran hidrogeno y oxigeno y el producto era agua. Fueron estas celdas las que proporcionaron electricidad y agua a la nave espacial Apolo.
Actualmente la compañía United Technologies Company  (UTC) ha desarrollado vehículos de transporte cuya fuente de energía son las celdas de combustible, alcanzando de esta manera elobjetivo de producir vehículos de cero emisiones.
A esto se suman compañías prestigiosas de automóviles tales como Honda, General Motors y Toyota que se encuentran desarrollando modelos  propulsados por celdas de combustible.
B.      PRINCIPIOS TERMODINÁMICOS DE FUNCIONAMIENTO
  i.            Procesos involucrados
El proceso en una celda de combustible de hidrógeno es un proceso redox: oxidación yreducción.
En el ánodo el combustible, H2, se oxida (pierde electrones) y en el cátodo el oxidante, O2, se reduce (gana electrones).
ii.            Análisis energético
El rendimiento de las celdas de combustible de hidrógeno no esta limitada por el ciclo Carnot. Sin embargo, la eficiencia esta limitada por la aplicación de la segunda ley de la termodinámica.  En condiciones estándar yreversibles la oxidación del combustible se desarrolla obteniendo el máximo trabajo.
              (1)
Donde:
 

P: productos
            R: reactantes
El rendimiento ideal que puede alcanzarse en una pila de combustible es
                    (2)
Se ve entonces que el trabajo obtenido se encuentra limitado por el cambio de entropía y la temperatura del proceso, es decir el término .
Por otrolado hay factores que limitan esta eficiencia, los cuales  son la temperatura y presión. Si bien ambos incrementan el rendimiento de la celda al aumentar su valor también causan problemas tecnológicos tales como degradación en el electrolito, corrosión en el ánodo, resistencia de los materiales y fugas .Todos estos parámetros deben considerarse para diseñar una celda.
iii.            Análisisexergético
La Energía química es una forma de energía parcialmente transformable en energía útil. Observando la ecuación 1 el trabajo obtenido es el máximo disponible de la energía química y así se tendría una eficiencia exergética de 100%. Sin embargo, hay una serie de fenómenos  que tienden a disminuir esta eficiencia, mas propiamente el voltaje de la celda y por ende la potencia de salida.
Si bienno vamos a considerar los efectos de los fenómenos para los cálculos cabe mencionar de qué tratan.
La polarización por activación.- este fenómeno se produce cuando el índice de reacción electroquímica en la superficie del electrodo está controlado por la cinética de este. Influye en la caída de voltaje de la celda.
La polarización óhmica.- caídas de voltaje debido a la resistencia de los...