Energia

boletín iie
septiembre/octubre de 1999

El grupo de Electroquímica y Corrosión del Instituto de Investigaciones Eléctricas ha puesto, desde hace algunos años, su atención en una tecnología que promete ser clave en los próximos años: las celdas de combustible.

Las celdas de combustible: verdades sobre la generación de electricidad limpia y eficiente vía electroquímica
Ulises Cano CastilloIntroducción

E

n la búsqueda de tecnologías alternativas de generación de energía eléctrica, el grupo de Electroquímica y Corrosión del Instituto de Investigaciones Eléctricas ha puesto, desde hace algunos años, su atención en una tecnología que promete ser clave en los próximos años: las celdas de combustible. La primera celda de combustible fue construida en 1839 por Sir William Grove,un juez y científico galés que demostró que la combinación de hidrógeno y oxígeno generaba electricidad además de agua y calor. El verdadero interés en celdas de combustible como un generador práctico vino hacia comienzos de los años sesenta de nuestro siglo, cuando el programa espacial de los Estados

Unidos seleccionó las celdas de combustible para proporcionar electricidad y agua a las navesespaciales Gemini y Apollo. Hoy en día, la aplicación espacial ya no es la única de tipo práctico, puesto que las celdas de combustible están atravesando por un gran momento, al haber alcanzado una etapa tecnológica que les permite estar en posición de competir cada día más con las tecnologías convencionales de generación eléctrica, ofreciendo enormes ventajas sobre ellas [Hirschenhofer, J.H. etal., 1998]. Una celda de combustible es un dispositivo electroquímico que convierte la energía química de una reacción directamente en energía eléctrica. Por ejemplo, puede generar electricidad combinando hidrógeno y oxígeno electroquímicamente sin ninguna combustión. Estas celdas no se agotan como lo haría una batería, ni precisan recarga, ya que producirán energía en forma de electricidad y caloren tanto se les provea de combustible. En la práctica, la corrosión y la degradación de materiales y componentes de la celda pueden limitar su vida útil. La manera en que operan es mediante una celda electroquímica consistente en dos electrodos, un ánodo y un cátodo, separados por un

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electrólito. El oxígeno provenientedel aire pasa sobre un electrodo y el hidrógeno gas pasa sobre el otro. Cuando el hidrógeno es ionizado en el ánodo se oxida y pierde un electrón; al ocurrir esto, el hidrógeno oxidado (ahora en forma de protón) y el electrón toman diferentes caminos migrando hacia el segundo electrodo llamado cátodo. El hidrógeno lo hará a través del electrólito mientras que el electrón lo hace a través de unmaterial conductor externo (carga). Al final de su camino ambos se vuelven a reunir en el cátodo donde ocurre la reacción de reducción o ganancia de electrones del oxígeno gas para formar agua junto con el hidrógeno oxidado. Así, este proceso produce agua 100% pura, corriente eléctrica y calor útil, por ejemplo, energía térmica (figura 1). A diferencia de las máquinas de combustión cuya eficienciaestá regida por el ciclo de Carnot y limitada por la temperatura, la eficiencia teórica de las celdas de combustible está dada por las leyes de Faraday, que relacionan directamente la corriente producida en una reacción electroquímica con la cantidad de material reactivo, es decir, con la cantidad de combustible. La mayor ventaja de las celdas de combustible descansa realmente en el hecho de que noestán limitadas por la temperatura, lo cual les otorga el gran beneficio de alcanzar altas eficiencias. Así, en teoría, cada molécula de hidrógeno gas producirá dos electrones libres y junto con una átomo de oxígeno reducido se generará una molécula de agua. Tal reacción electroquímica es exotérmica, por lo que además el calor desprendido puede ser utilizado y así aumentar la eficiencia de las...