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Hoy en día existe una gran dependencia del
petróleo en el sector de movilidad y transporte,
lo que representará un fuerte impacto en la
economía mundial en décadas venideras, es por
eso que se buscan fuentes alternas de energía.
Asociado a esto, la contaminación ambiental y
el cambio climático juegan un papel importante
en esta búsqueda, ya que las fuentes alternas
tienen que producir energía amigable con el
medio ambiente, siendo estos dos factores, la
economía y la contaminación, las razones principales para la utilización de “energía verde”, la
cual ha tenido y tendrá gran auge. Dentro de
esta se encuentra la producida por las celdas de
combustible, que llaman la atención por su alta
eficiencia y la generación de cero emisiones
contaminantes.
metal, el electrolito es una sustancia que actúa
como conductor eléctrico en medio del electrodo.
El oxígeno proveniente del aire pasa por el cátodo
(electrodo positivo) y el combustible por el ánodo
(electrodo negativo). Cuando el combustible es
ionizado en el ánodo se oxida y pierde un electrón;
al ocurrir esto, el protón y el electrón toman distintos
caminos migrando hacia el cátodo. El protón lo
hará a través del electrolito mientras que el
electrón lo hará por un conductor externo, siendo
aquí donde se produce y conduce la energía eléctrica.
Al final del recorrido, ambos se reúnen en el cátodo
donde ocurre la reacción de reducción o ganancia
de electrones del oxígeno. La celda de combustible
produce corriente eléctrica y calor útil, y en
algunos casos agua cien por cien pura.
La celda de combustible es un generador
electroquímico que produce energía eléctrica a
partir de la reacción química entre un combustible
y aire; el descubrimiento del principio de operación
se le atribuye a Sir William Groove en 1839, sin
embargo, se cree que el suizo Christian F. Shoenbein
descubrió el mismo principio tiempo antes. A
pesar de que el hallazgo se hizo en el siglo XIX,
no fue sino hasta 1937 que el inglés Francis
Thomas Bacon comenzó con el desarrollo práctico,
construyendo a finales de la década de 1950 la
primera celda de combustible de 6 kW.
Una celda de combustible funciona con tres
elementos fundamentales: dos electrodos y un
electrolito; un electrodo es un nanotubo de
Figura1. Celda tipo PEM.
Existen diversos tipos de celdas de combustible que se clasifican con base en su electrolito y el rango de
potencia generada.
Tipo de celda
PEM
PAFC
MCFC
SOFC
Electrolito
Membrana de
intercambio
protónico
Ácido fosfórico
Carbonato
fundido
Óxido sólido
(cerámico)
80–120 °C
150-200 ºC
600-700 ºC
600-1000 ºC
Aplicación
Generación
descentralizada,
aplicaciones
móviles.
Generación
descentralizada,
transporte y
cogeneración.
Generación
descentralizada,
cogeneración y
potencia central.
Generación
descentralizada,
y potencia
central.
Oxidante
Aire(O 2)
Aire(O 2)
Aire(O 2), CO2
Aire(O 2)
Rango de
potencia
250 KW
5-200 KW
5-200 KW
2.5-100000 KW
Eficiencia sin
cogeneración
30-45%
40-45%
45-60%
45-60%
Eficiencia con
cogeneración
75%
85%
85%
85%
Temperatura
Tabla 1. Principales tipos de celdas de combustible.
La tabla 1 muestra los principales tipos de celdas
de combustible, sin embargo, la más usada es la
de membrana de intercambio protónico (PEM),
por tener menor costo de producción, ya que el
precio es el factor determinante que impide el
desarrollo de industrias productoras de celdas. En
México no existen empresas dedicadas a la fabricación de celdas de combustible, por lo que
aumenta su precio y disminuye su rentabilidad.
¿De dónde se obtiene el hidrógeno?
El hidrógeno es uno de los elementos más abundantes
en el planeta, pero difícilmente se encuentra en
estado puro, mayormente está combinado con
otros elementos, es parte de los hidrocarburos y
del agua. Para que el hidrógeno sea utilizado en
Ventajas
Cero emisiones contaminantes
Alta eficiencia en el uso del hidrógeno
Funcionamiento silencioso
Capacidad de cogeneración
las celdas de combustible se necesita que esté en
estado gaseoso y sea diatómico (H2). Hay varios
procesos de obtención del hidrógeno, sin embargo,
por factores económicos la manera más viable es
por reformación catalítica de gas natural; la
desventaja de este proceso es que produce
contaminación. A grandes rasgos, este proceso
se da por la reacción de vapor de agua y metano
que a una temperatura entre 700 – 1100 °C
produce CO (monóxido de carbono) e H2. Otro
método de obtención es la electrolisis del agua
que es la separación del oxígeno e hidrógeno por
corriente eléctrica, este proceso puede ser más
rentable si se obtiene la energía eléctrica de
fuentes eólicas y de la biomasa.
Desventajas
Alto costo de manufactura
Alto costo de producción del hidrógeno
Contaminación en ciertos métodos de
obtención del hidrógeno
Tabla 2. Ventajas y desventajas de las celdas de combustible.
La industria automotriz, en su afán de sustituir
los motores de combustión interna y acercarse al
mercado ecológico, tiene como objetivo incentivar
la fabricación de autos con celdas de combustible
lo que representa un gran reto desde el diseño
aerodinámico, que se ve afectado por el espacio,
peso y forma de la celda, como también por la
implementación del sistema. Hoy en día las
grandes firmas automotrices cuentan ya con sus
primeras generaciones de automóviles y camiones
dotados con celdas de combustible, también
llamados autos de hidrógeno, en países como
Canadá, Estados Unidos, Alemania y Japón, entre otros.
Los primeros intentos de construcción de un
auto de hidrógeno se presentaron en la década
de los 80’s; paulatinamente, han mejorado su
tecnología y atacando el principal, problema que
es su autonomía; en la actualidad existen autos
que rinden de 200 a 600 km por tanque.
¿Qué
componentes
requiere
automóvil de hidrógeno?
un
Estos autos en su sistema de locomoción necesitan
cinco componentes fundamentales: un motor
eléctrico, una batería, uno o más tanques de
hidrógeno, un inversor de corriente y una celda de
combustible. El motor eléctrico tiene su unidad
electrónica de potencia, transmisión por un
engranaje reductor, y control electrónico de
carga. La batería, generalmente a base de litio, es
indispensable, ya que la celda no podría generar
la suficiente potencia en tiempo real. Los tanques
de hidrógeno, diseñados para resistir la alta
presión de almacenamiento del hidrógeno que
puede llegar a ser de unos 700 bares (aproximadamente
690 veces la presión atmosférica sobre el nivel
del mar), son fabricados con fibra de carbono por
su gran resistencia y poco peso; almacenan
considerables cantidades de hidrógeno, por lo que
tiene gran tamaño y generalmente son colocados
debajo de los asientos traseros. El inversor de
corriente transforma la corriente directa que
entrega la celda a corriente alterna; que es la que
usa el motor eléctrico. La celda de combustible
frecuentemente es colocada en el centro del
auto.
En enero del 2015 Toyota presentó en Estados
Unidos el “Mirai”, primer auto de hidrogeno
producido en serie con una autonomía de 500
km, con tiempo de repostaje de 3 a 5 minutos.
Hyundai tiene el ix35 FCVE, con autonomía de
577 km y velocidad maxima de 160 km/h;
Mercedes-Benz cuenta con el clase B F-cell, Ford
es dueño del focus FCEV; Volkswagen presentará
el Passat HYmotion y Audi el A7 h-tron, Renault
tiene al Scenic ZEV, por su parte General Motors
y Honda colaborarán para la creación de autos de
hidrógeno. La mayoría de estas firmas utilizan las
celdas de combustible creadas por Ballard Power
Systems, una de las principales empresas inmersas
en la industria de las celdas de combustible.
Distintas firmas automotrices declaran que debe
haber un esfuerzo en conjunto con los gobiernos
para crear la infraestructura necesaria en la recarga
de combustible de los autos de hidrógeno. De
tener un desarrollo adecuado, los autos de hidrogeno
podrían sustituir a los de combustión interna,
abriendo el camino de la movilidad y transporte
con cero emisiones.
Figura2. Auto con un sistema de celda de combustible
Mesografía
Ulises Cano Castillo, boletín de aplicaciones
tecnológicas “celdasdecombustible”www.iie.org.mx/reno99/apli.pdf
Gonzales Matilde, Aragón Santiago, “celdas de
combustible en el transporte automotriz” http://matiylaquimica.blogspot.mx/2009/11/celdas-de-combustible-en-el-transporte.html
Xataca apasionados por los autos http://www.xataka.com/automovil/el-coche-de-hidrogeno
-asi-es-su-tecnologia
Rodríguez Varela, Solorza Feria, Hernández Pacheco.
www.viviendasustentable.com.mx/archivos/celdas
Figura1.- César Heber Gómez Cisneros
https://energiaunam.worpress.com/2010/ 03/12
/ celdas-de-hidrogeno/
Figura2.-.http://www.xataka.com/automovil
/el-coche-de-hidrogeno-asi-es-su-tecnologia
Tablas1y2.- José Ignacio San Martin, mayo de 2007
http://www.sc.ehu.es/sbweb/energias-renovables
/temas/pilas_2/pilas_2.html
Elaborado por La Dirección de Movilidad y
Transporte de CONUEE.
Colaborador: Luis Enrique Pérez de la Cruz
www.conuee.gob.mx
Av. Revolución 1877, Col. Loreto, Del, Álvaro
Obregón, C.P. 01090, México D.F., Tel, (55)
3000 1000 ext 1211, 1213, 1214 y 1215.
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/conuee
@conuee_mx / @Ctransp