CELDAS DE COMBUSTIBLE.

CELDAS DE COMBUSTIBLE.
(Segunda de dos partes)
Editado por Roberto Ruelas
4.- Celdas de Combustible de Carbonato Fundido. (Molten Carbonate Fuel Cells, MCFC). En estas
celdas, los electrodos son como sigue: El ánodo esta hecho de aleación de níkel, mientras que el
cátodo esta hecho de óxido de níkel, separados por el electrolito de carbonato, y una membrana. El
combustible, que originalmente es hidrógeno, se inyecta por unos ductos en el ánodo, mientras que
en el cátodo, en las mismas condiciones, se inyecta aire húmero y CO2. Como la celda opera a muy
alta temperatura, del orden de 650 ° C, es posible inyectar en el compartimiento del ánodo
monóxido de carbono con agua, que mediante la reacción:
CO + H2 O
C O2 + H2
podemos obtener el hidrógeno necesario como combustible, evitando de esta manera el manejo de
este gas difícil de manejar. Es posible usar otros combustibles tales como metano, para aprovechar
esta característica de esta celda. Las reacciones químicas que se efectúan en la celda son:
Reacción en el cátodo: 1/2 O2 + CO2 + 2 e –
y reacción en el ánodo: H2 O
+ C O32-
CO3
2-
H2 O + CO2 + 2e
-
con iones de CO23 que se desplazan del cátodo al ánodo.
Gran parte de estas celdas por lo general se fabrican de acero inoxidable, por su gran durabilidad a
las temperaturas de operación.
El uso de estas plantas, de 250 a 3000 KW de capacidad, es como auxiliares en las empresas de
electricidad, en complejos industriales, y en todos aquellos lugares en que se pueda dar uso al calor
producido, a una temperatura de 650 grados, como se dijo antes.
Esta tecnología aun está en experimentación, y se espera que dentro de unos años este disponible a
un costo del orden de $ 2 000 a $ 3000 dólares por KW.
5.- Celdas de Combustible con Oxidante Sólido.- (Solid Oxide Fuel Cells, SOFC), y Celdas de
combustible con Cerámica.- (Protonic Ceramic Fuel Cell , PCFC).- En éstas celdas los electrodos
son de material cerámico especial capaz de soportar las altas temperaturas de operación, del orden
de 800 a 1 000 ° C. Por otro lado, deben ser capaces de conducir los iones que se producen en la
reacción química. Los materiales que se usan
son aleaciones de Nikel con Lantanum, en un electrolito de Zirconium, Zr O2, estabilizado con
Itrium, (Y2 O3). Las reacciones que se producen son:
Reacciones en el cátodo: ½ O2 + 2 ereacciones en el ánodo: H2 + O2-
O
2-
H2 O + 2 e
-
con iones de O2- que se desplazan del cátodo al ánodo.
Para facilitar la construcción, y para aumentar lo robusto de la cerámica las recientes celdas se han
construido en forma cilíndrica. La eficiencia es del orden del 45 por ciento.
En la actualidad se están haciendo pruebas con celdas operando a más baja temperatura, del orden
de 600 a 800 grados Celsius, con cerámica porosa a los protones a la temperatura de operación, lo
que se logrará disminuir los costos actuales.
Los sistemas en prueba son de una potencia hasta de 3 000 Kw, y se supone que al usarse en
combinación con turbinas de gas o de vapor su eficiencia se elevará considerablemente,
probablemente hasta del orden de 68 a 70 por ciento.
El uso recomendado por los fabricantes es como suplemento en los sistemas de distribución, en los
centros de consumo, con lo que se evita reconstruir líneas adicionales o aumentar el calibre del
conductor. Esta tecnología es una de las más prometedoras para comercializarse en el futuro, pues
su densidad de potencia es elevada, dependiendo del tamaño de la planta. Los costos actuales son
del orden de $ 8 000 dólares por KW, y se espera reducirlo hasta $ 50 dólares /KW en el futuro.
6.- Celdas alcalinas.- (Alkaline fuel cell).- En esta celda se usa hidróxido de potasio como
catalizador con un compuesto para formar el electrolito, con lo que se acelera la reacción. Opera a
una temperatura entre 150 y 200 grados C, y la eficiencia alcanzada es del orden del 70 por ciento,
por lo que la NASA a usado este sistema en las misiones espaciales. Los sistemas actuales tienen
una potencia entre 300 watts y 5 kw, pero su costo es muy elevado.
Debemos aclarar que la tecnología de las celdas de combustible es relativamente nueva. Que con los
incrementos en costos y la desregulación de las empresas productoras de energía eléctrica en el
mundo, existen varias instituciones, universidades y empresas comerciales, que están investigando
la mejor forma de producirlas y comercializarlas a bajo costo, por lo que los tipos presentados
arriba no siempre son bien definidos.
Sistemas auxiliares.
Como es de esperar, una planta completa de celdas de combustible para producir electricidad ,
además de las celdas de combustible básicas, deben tener otros sistemas para su correcto
funcionamiento. Un diagrama de bloques es como se muestra en la Fig. 2, y los sistemas serían:
Combustible
Procesador
de
combustible
CELDAS
Sistema
para agua.
DE
Conversor
de
electricidad
Gases de
residuo
Otros
usos
COMBUSTIBLE
Aire
Sistema
para
aire.
.
Calor.
Fig. 2.
Energía
eléctrica
A.- Sistema procesador de combustible.
En el caso más sencillo, en que se usa metanol como combustible a baja temperatura, el
combustible se inyecta con una bomba, sin previo tratamiento, ya que en el comercio se encuentra
bastante puro. En el caso de hidrógeno puro, como en el caso de algunos vehículos, se adquiere en
cilindros a muy alta presión y baja temperatura, debiendo mantenerse así en operación. En el caso
de combustible derivado del petróleo, se deberá someter a un proceso de desulfurización, a menos
de una parte por millón, así como eliminar el CO, que según el caso, pueden ser perjudiciales.
B.- Sistema de agua.
Como vimos arriba en las reacciones químicas, un producto de la combustión en las celdas de
combustible es siempre agua. Esta puede ser utilizada para humedecer el combustible que se
inyecta a la celda, así como el aire con el oxígeno de combustión, según lo requiera el sistema
empleado, pero habrá que condensarla de los gases de escape, y almacenarla para los usos de la
propia máquina. En los casos en que se produce más agua que la que requiere todo el sistema, esta
agua, simplemente se descarga a la atmósfera.
C.- Sistema de aire.
Como vimos arriba, en los sistemas comerciales actuales se usa aire para obtener el oxígeno
necesario para la combustión. Este se obtiene inyectándolo a la máquina ya sea con la ayuda de un
ventilador o de un compresor, previo filtrado, según sea la presión necesaria en el diseño. Pero hay
que recordar que las máquinas actuales para comprimir el aire son muy ineficientes, principalmente
a baja carga y baja presión, por lo que se requiere mucha atención en este sistema.
D.- Sistema conversor de electricidad.
Debemos recordar que la energía eléctrica que se produce en una Celda de Combustible está en la
forma de corriente directa, y que además la tensión generada varía con la carga, con lo que el
sistema puede ser complicado. Afortunadamente en la actualidad, con los sistemas de procesadores
digitales, y con los convertidores de corriente directa a corriente alterna, este problema puede ser
solucionado.
En los sistemas actuales, solamente se tienen algunos problemas con las variaciones bruscas de
carga, en que los sistemas mecánicos del sistema no operan con velocidad de respuesta como sería
deseable. Sin embargo, los sistemas en servicio están instalados en edificios de departamentos,
edificios comerciales, hospitales, bancos, y otras cargas similares, en que no se presentan
variaciones súbitas en la carga de magnitud relativamente grande comparadas con la capacidad del
sistema, por lo que han dado un servicio bastante satisfactorio.
E.- Sistema para el calor producido.
Como se explicó arriba, en las plantas de electricidad por Celdas de Combustible se produce más o
menos calor, según la temperatura del sistema usado. Parte de este calor se usa para activar la
reacción química, y parte sale de las celdas a la atmósfera, como en el caso de los automóviles, o
bien para ser utilizado en otros procesos para elevar la eficiencia térmica del sistema.
En el caso de plantas relativamente grandes actualmente, del orden de 1 000 a 3 000 KW, el calor se
usa para producir vapor y probablemente utilizarlo en mover turbinas, o bien como calefacción.
También se puede utilizar en combinación con turbinas de gas y de vapor, dando una planta de ciclo
combinado, con eficiencias que pudieran llegar a más del 60 por ciento.
Para obtener mayor información sobre Celdas de Combustible, se pueden visitar las siguientes
instituciones en la red:
Breakthrough Techonologies Institute, www:fuelcells.org.
US Department of Energy, www.doe.gov
National Energy Techonology Laboratory, www.fetc.doe.gov
National Fuel Cell Research Center, www.nfcrc.uci.edu
Lehigh University, www.2.lehigh.edu
También probablemente en las siguientes empresas comerciales:
Fuel Cell Energy, www.fce.com y www.ercc.com
International FuelCells, www.internationalfuelcells.com
Plug Power, www.plugpower.com
H Power, www.hpower.com
Siemens Westinghouse, www.siemens.de
EnergieNed, www.energiened.nl