La electrónica móvil es cada vez más accesible y extendida cada año, si no mes. Aquí encontrará ordenadores portátiles, PDA, cámaras digitales, teléfonos móviles y muchos otros dispositivos útiles y no tan útiles. Y todos estos dispositivos adquieren constantemente nuevas funciones, procesadores más potentes, pantallas a color más grandes, comunicaciones inalámbricas y, al mismo tiempo, disminuyen de tamaño. Pero, a diferencia de las tecnologías de semiconductores, las tecnologías energéticas para toda esta colección móvil no están progresando a pasos agigantados.

Las baterías convencionales y las baterías recargables se están volviendo claramente insuficientes para alimentar los últimos avances en la industria electrónica durante un período de tiempo significativo. Y sin baterías fiables y de gran capacidad, se pierde todo el sentido de la movilidad y la conexión inalámbrica. Por eso la industria informática está trabajando cada vez más activamente en el problema. fuentes de energía alternativas. Y la dirección más prometedora aquí hoy es celdas de combustible.

El principio básico de funcionamiento de las pilas de combustible fue descubierto por el científico británico Sir William Grove en 1839. Se le conoce como el padre de la "pila de combustible". William Grove generó electricidad alterándola para extraer hidrógeno y oxígeno. Después de desconectar la batería de la celda electrolítica, Grove se sorprendió al descubrir que los electrodos comenzaron a absorber el gas liberado y generar corriente. Abrir un proceso combustión electroquímica "fría" de hidrógeno se convirtió en un acontecimiento importante en la industria energética y, posteriormente, electroquímicos famosos como Ostwald y Nernst desempeñaron un papel importante en el desarrollo de los fundamentos teóricos y la implementación práctica de las pilas de combustible y les auguraron un gran futuro.

Mí mismo término "pila de combustible" apareció más tarde: fue propuesto en 1889 por Ludwig Mond y Charles Langer, quienes intentaban crear un dispositivo para generar electricidad a partir de aire y gas de carbón.

Durante la combustión normal en oxígeno, se produce la oxidación del combustible orgánico y la energía química del combustible se convierte de manera ineficiente en energía térmica. Pero resultó posible llevar a cabo la reacción de oxidación, por ejemplo, de hidrógeno con oxígeno, en un entorno electrolítico y, en presencia de electrodos, obtener una corriente eléctrica. Por ejemplo, suministrando hidrógeno a un electrodo ubicado en un medio alcalino, obtenemos electrones:

2H2 + 4OH- → 4H2O + 4e-

que, pasando por el circuito externo, llegan al electrodo opuesto, al que fluye el oxígeno y donde se produce la reacción: 4e- + O2 + 2H2O → 4OH-

Se puede ver que la reacción resultante 2H2 + O2 → H2O es la misma que durante la combustión convencional, pero en una pila de combustible, o de otra manera, en generador electroquímico, el resultado es corriente eléctrica con gran eficiencia y parcialmente calor. Tenga en cuenta que las pilas de combustible también pueden utilizar carbón, monóxido de carbono, alcoholes, hidracina y otras sustancias orgánicas como combustible, y aire, peróxido de hidrógeno, cloro, bromo, ácido nítrico, etc., como agentes oxidantes.

El desarrollo de las pilas de combustible continuó vigorosamente tanto en el extranjero como en Rusia y luego en la URSS. Entre los científicos que hicieron una gran contribución al estudio de las pilas de combustible, destacamos a V. Jaco, P. Yablochkov, F. Bacon, E. Bauer, E. Justi, K. Cordesh. A mediados del siglo pasado comenzó un nuevo ataque a los problemas de las pilas de combustible. Esto se debe en parte a la aparición de nuevas ideas, materiales y tecnologías como resultado de la investigación en materia de defensa.

Uno de los científicos que dio un paso importante en el desarrollo de las pilas de combustible fue P. M. Spiridonov. Elementos de hidrógeno y oxígeno de Spiridonov. dio una densidad de corriente de 30 mA/cm2, lo que se consideró un gran logro en ese momento. En los años cuarenta, O. Davtyan creó una instalación para la combustión electroquímica del gas generador obtenido por gasificación del carbón. Por cada metro cúbico de volumen del elemento, Davtyan recibió 5 kW de potencia.

Fue Primera pila de combustible de electrolito sólido.. Tenía una alta eficiencia, pero con el tiempo el electrolito quedó inutilizable y fue necesario cambiarlo. Posteriormente, Davtyan, a finales de los años cincuenta, creó una poderosa instalación que acciona el tractor. En los mismos años, el ingeniero inglés T. Bacon diseñó y construyó una batería de pilas de combustible con una potencia total de 6 kW y una eficiencia del 80%, que funcionaba con hidrógeno y oxígeno puros, pero la relación potencia-peso de la La batería resultó ser demasiado pequeña: dichos elementos no eran adecuados para un uso práctico y eran demasiado caros.

En los años siguientes pasó la época de los solitarios. Los creadores de naves espaciales se interesaron por las pilas de combustible. Desde mediados de los años 60, se han invertido millones de dólares en la investigación de pilas de combustible. El trabajo de miles de científicos e ingenieros nos permitió alcanzar un nuevo nivel, y en 1965. Las pilas de combustible se probaron en los Estados Unidos en la nave espacial Gemini 5 y más tarde en la nave espacial Apollo para vuelos a la Luna y en el marco del programa Shuttle.

En la URSS, en NPO Kvant se desarrollaron pilas de combustible, también para uso en el espacio. En esos años ya habían aparecido nuevos materiales - Electrolitos poliméricos sólidos basados ​​en membranas de intercambio iónico., nuevos tipos de catalizadores, electrodos. Aún así, la densidad de corriente operativa era pequeña, en el rango de 100-200 mA/cm2, y el contenido de platino en los electrodos era de varios g/cm2. Hubo muchos problemas relacionados con la durabilidad, la estabilidad y la seguridad.

La siguiente etapa de rápido desarrollo de las pilas de combustible comenzó en los años 90. el siglo pasado y continúa hasta el día de hoy. Se debe a la necesidad de nuevas fuentes de energía eficientes en relación, por un lado, con el problema medioambiental mundial del aumento de las emisiones de gases de efecto invernadero procedentes de la quema de combustibles fósiles y, por otro, con el agotamiento de las reservas de dichos combustibles. . Dado que en una pila de combustible el producto final de la combustión del hidrógeno es agua, se consideran las más limpias en términos de impacto ambiental. El principal problema es simplemente encontrar una forma eficaz y económica de producir hidrógeno.

Miles de millones de dólares invertidos en el desarrollo de pilas de combustible y generadores de hidrógeno deberían conducir a un avance tecnológico y hacer realidad su uso en la vida cotidiana: en celdas para teléfonos móviles, en automóviles, en centrales eléctricas. Gigantes del automóvil como Ballard, Honda, Daimler Chrysler y General Motors ya están presentando coches y autobuses propulsados ​​por pilas de combustible con una potencia de 50 kW. Varias empresas han desarrollado Centrales eléctricas de demostración que utilizan pilas de combustible con electrolito de óxido sólido con una potencia de hasta 500 kW.. Pero, a pesar de un avance significativo en la mejora de las características de las pilas de combustible, aún quedan por resolver muchos problemas relacionados con su coste, fiabilidad y seguridad.

En una pila de combustible, a diferencia de las baterías y acumuladores, tanto el combustible como el oxidante se suministran desde el exterior. La pila de combustible sólo media en la reacción y, en condiciones ideales, podría funcionar prácticamente para siempre. Lo bueno de esta tecnología es que la celda realmente quema combustible y convierte directamente la energía liberada en electricidad. Cuando el combustible se quema directamente, el oxígeno lo oxida y el calor liberado se utiliza para realizar un trabajo útil.

En una pila de combustible, como en las baterías, las reacciones de oxidación del combustible y reducción de oxígeno están separadas espacialmente, y el proceso de "combustión" se produce sólo si la pila suministra corriente a la carga. es como Generador eléctrico diésel, solo sin diésel ni generador.. Y además sin humos, ruidos, sobrecalentamientos y con una eficiencia mucho mayor. Esto último se explica por el hecho de que, en primer lugar, no existen dispositivos mecánicos intermedios y, en segundo lugar, la pila de combustible no es un motor térmico y, por tanto, no obedece la ley de Carnot (es decir, su eficiencia no está determinada por la diferencia de temperatura).

El oxígeno se utiliza como agente oxidante en las pilas de combustible. Además, como hay suficiente oxígeno en el aire, no hay necesidad de preocuparse por el suministro de agente oxidante. En cuanto al combustible, es hidrógeno. Entonces, la reacción tiene lugar en la pila de combustible:

2H2 + O2 → 2H2O + electricidad + calor.

El resultado es energía útil y vapor de agua. El más simple en su diseño es pila de combustible de membrana de intercambio de protones(ver Figura 1). Funciona de la siguiente manera: el hidrógeno que ingresa al elemento se descompone bajo la acción de un catalizador en electrones e iones de hidrógeno H+ cargados positivamente. Entonces entra en juego una membrana especial que desempeña el papel de electrolito en una batería convencional. Debido a su composición química, deja pasar los protones pero retiene los electrones. Por lo tanto, los electrones acumulados en el ánodo crean un exceso de carga negativa y los iones de hidrógeno crean una carga positiva en el cátodo (el voltaje a través del elemento es de aproximadamente 1 V).

Para crear alta potencia, una pila de combustible se ensambla a partir de muchas celdas. Si conecta un elemento a una carga, los electrones fluirán a través de él hasta el cátodo, creando una corriente y completando el proceso de oxidación del hidrógeno con oxígeno. Las micropartículas de platino depositadas sobre fibra de carbono se utilizan habitualmente como catalizador en este tipo de pilas de combustible. Debido a su estructura, dicho catalizador permite el buen paso del gas y la electricidad. La membrana suele estar hecha del polímero que contiene azufre Nafion. El espesor de la membrana es de décimas de milímetro. Durante la reacción, por supuesto, también se libera calor, pero no tanto, por lo que la temperatura de funcionamiento se mantiene en la región de 40-80°C.

Figura 1. Principio de funcionamiento de una pila de combustible.

Existen otros tipos de pilas de combustible, diferenciándose principalmente en el tipo de electrolito utilizado. Casi todos requieren hidrógeno como combustible, por lo que surge la pregunta lógica: dónde conseguirlo. Por supuesto, sería posible utilizar hidrógeno comprimido procedente de cilindros, pero inmediatamente surgen problemas asociados con el transporte y almacenamiento de este gas altamente inflamable a alta presión. Por supuesto, el hidrógeno se puede utilizar en forma ligada, como en las baterías de hidruro metálico. Pero aún queda la tarea de extraerlo y transportarlo, porque no existe la infraestructura para el repostaje de hidrógeno.

Sin embargo, aquí también existe una solución: el combustible de hidrocarburos líquidos se puede utilizar como fuente de hidrógeno. Por ejemplo, alcohol etílico o metílico. Es cierto que esto requiere un dispositivo adicional especial: un convertidor de combustible que, a altas temperaturas (para el metanol, será de aproximadamente 240 ° C) convierte los alcoholes en una mezcla de H2 y CO2 gaseosos. Pero en este caso, ya es más difícil pensar en la portabilidad: estos dispositivos son buenos para usar como estacionarios o, pero para equipos móviles compactos se necesita algo menos voluminoso.

Y aquí llegamos exactamente al dispositivo que casi todos los mayores fabricantes de productos electrónicos están desarrollando con terrible fuerza: pila de combustible de metanol(Figura 2).

Figura 2. Principio de funcionamiento de una pila de combustible de metanol.

La diferencia fundamental entre las pilas de combustible de hidrógeno y metanol es el catalizador utilizado. El catalizador de una pila de combustible de metanol permite eliminar protones directamente de la molécula de alcohol. Así, el problema del combustible está resuelto: el alcohol metílico se produce en masa para la industria química, es fácil de almacenar y transportar, y para cargar una pila de combustible de metanol basta con sustituir el cartucho de combustible. Es cierto que existe un inconveniente importante: el metanol es tóxico. Además, la eficiencia de una pila de combustible de metanol es significativamente menor que la de una de hidrógeno.

Arroz. 3. Pila de combustible de metanol

La opción más tentadora es utilizar alcohol etílico como combustible, ya que la producción y distribución de bebidas alcohólicas de cualquier composición y concentración está bien establecida en todo el mundo. Sin embargo, la eficiencia de las pilas de combustible de etanol, lamentablemente, es incluso menor que la de las de metanol.

Como se ha observado a lo largo de muchos años de desarrollo en el campo de las pilas de combustible, se han construido varios tipos de pilas de combustible. Las pilas de combustible se clasifican por electrolito y tipo de combustible.

1. Electrolito de hidrógeno y oxígeno de polímero sólido.

2. Pilas de combustible de metanol de polímero sólido.

3. Celdas de electrolitos alcalinos.

4. Pilas de combustible de ácido fosfórico.

5. Elementos combustibles a base de carbonatos fundidos.

6. Pilas de combustible de óxido sólido.

Idealmente, la eficiencia de las pilas de combustible es muy alta, pero en condiciones reales existen pérdidas asociadas con procesos de desequilibrio, tales como: pérdidas óhmicas debido a la conductividad específica del electrolito y electrodos, polarización por activación y concentración y pérdidas por difusión. Como resultado, parte de la energía generada en las pilas de combustible se convierte en calor. Los esfuerzos de los especialistas están encaminados a reducir estas pérdidas.

La principal fuente de pérdidas óhmicas, así como la razón del elevado precio de las pilas de combustible, son las membranas de intercambio catiónico sulfónico perfluorado. Actualmente se está buscando polímeros conductores de protones alternativos y más baratos. Dado que la conductividad de estas membranas (electrolitos sólidos) alcanza un valor aceptable (10 ohmios/cm) sólo en presencia de agua, los gases suministrados a la pila de combustible deben humedecerse adicionalmente en un dispositivo especial, lo que también aumenta el coste del sistema. Los electrodos de difusión de gas catalítico utilizan principalmente platino y algunos otros metales nobles, y hasta el momento no se ha encontrado ningún sustituto para ellos. Aunque el contenido de platino en las pilas de combustible es de varios mg/cm2, en las baterías grandes su cantidad alcanza decenas de gramos.

Al diseñar pilas de combustible, se presta mucha atención al sistema de eliminación de calor, ya que a altas densidades de corriente (hasta 1 A/cm2) el sistema se autocalienta. Para la refrigeración se utiliza agua que circula en la pila de combustible a través de canales especiales y, a baja potencia, aire.

Por lo tanto, un moderno sistema generador electroquímico, además de la propia batería de pila de combustible, está "cubierto" de muchos dispositivos auxiliares, como: bombas, un compresor para suministrar aire, inyección de hidrógeno, un humidificador de gas, una unidad de refrigeración, un gas. sistema de monitoreo de fugas, convertidor DC-AC, procesador de control, etc. Todo esto lleva al hecho de que el costo de un sistema de pila de combustible en 2004-2005 fue de 2 a 3 mil dólares/kW. Según los expertos, las pilas de combustible estarán disponibles para su uso en centrales eléctricas estacionarias y de transporte a un precio de 50 a 100 dólares por kW.

Para introducir las pilas de combustible en la vida cotidiana, junto con componentes más baratos, debemos esperar nuevas ideas y enfoques originales. En particular, se depositan grandes esperanzas en el uso de nanomateriales y nanotecnologías. Por ejemplo, varias empresas han anunciado recientemente la creación de catalizadores ultraeficientes, en particular para electrodos de oxígeno, basados ​​en grupos de nanopartículas de diversos metales. Además, ha habido informes de diseños de pilas de combustible sin membrana en los que se suministra combustible líquido (como metanol) a la pila de combustible junto con un oxidante. También es interesante el concepto en desarrollo de células de biocombustible que funcionan en aguas contaminadas y consumen oxígeno disuelto del aire como oxidante e impurezas orgánicas como combustible.

Según los expertos, las pilas de combustible entrarán en el mercado de masas en los próximos años. De hecho, uno tras otro, los desarrolladores superan problemas técnicos, informan de éxitos y presentan prototipos de pilas de combustible. Por ejemplo, Toshiba demostró un prototipo terminado de una pila de combustible de metanol. Tiene un tamaño de 22x56x4,5 mm y produce una potencia de unos 100 mW. Una recarga de 2 cubos de metanol concentrado (99,5%) es suficiente para 20 horas de funcionamiento del reproductor MP3. Toshiba ha lanzado una pila de combustible comercial para alimentar teléfonos móviles. Una vez más, el mismo Toshiba demostró una celda para alimentar computadoras portátiles de 275x75x40 mm, lo que permite que la computadora funcione durante 5 horas con una sola carga.

Otra empresa japonesa, Fujitsu, no se queda atrás de Toshiba. En 2004, también introdujo un elemento que funciona en una solución acuosa de metanol al 30%. Esta pila de combustible funcionó con una carga de 300 ml durante 10 horas y produjo una potencia de 15 W.

Casio está desarrollando una pila de combustible en la que el metanol se convierte primero en una mezcla de gases H2 y CO2 en un convertidor de combustible en miniatura y luego se introduce en la pila de combustible. Durante la demostración, el prototipo Casio alimentó una computadora portátil durante 20 horas.

Samsung también dejó su huella en el campo de las pilas de combustible: en 2004 demostró su prototipo de 12 W diseñado para alimentar un ordenador portátil. En general, Samsung planea utilizar pilas de combustible principalmente en los teléfonos inteligentes de cuarta generación.

Hay que decir que las empresas japonesas en general adoptaron un enfoque muy exhaustivo en el desarrollo de pilas de combustible. En 2003, empresas como Canon, Casio, Fujitsu, Hitachi, Sanyo, Sharp, Sony y Toshiba unieron fuerzas para desarrollar un estándar único de pila de combustible para portátiles, teléfonos móviles, PDA y otros dispositivos electrónicos. Las empresas estadounidenses, que también abundan en este mercado, trabajan en su mayoría bajo contratos con el ejército y desarrollan pilas de combustible para la electrificación de los soldados estadounidenses.

Los alemanes no se quedan atrás: la empresa Smart Fuel Cell vende pilas de combustible para alimentar una oficina móvil. El dispositivo se llama Smart Fuel Cell C25, tiene unas dimensiones de 150x112x65 mm y puede entregar hasta 140 vatios-hora por llenado. Esto es suficiente para alimentar la computadora portátil durante aproximadamente 7 horas. Luego se podrá reemplazar el cartucho y podrá continuar trabajando. El tamaño del cartucho de metanol es 99x63x27 mm y pesa 150 g. El sistema en sí pesa 1,1 kg, por lo que no se puede considerar completamente portátil, pero sigue siendo un dispositivo completamente completo y conveniente. La empresa también está desarrollando un módulo de combustible para alimentar cámaras de vídeo profesionales.

En general, las pilas de combustible casi han entrado en el mercado de la electrónica móvil. Los fabricantes todavía tienen que resolver los últimos problemas técnicos antes de iniciar la producción en masa.

En primer lugar, es necesario resolver la cuestión de la miniaturización de las pilas de combustible. Al fin y al cabo, cuanto más pequeña es la pila de combustible, menos energía puede producir, por lo que constantemente se desarrollan nuevos catalizadores y electrodos que permiten maximizar la superficie de trabajo con tamaños pequeños. Aquí es donde resultan muy útiles los últimos avances en el campo de la nanotecnología y los nanomateriales (por ejemplo, los nanotubos). Una vez más, para miniaturizar las tuberías de los elementos (bombas de agua y combustible, sistemas de refrigeración y conversión de combustible), se utilizan cada vez más los logros de la microelectromecánica.

El segundo problema importante que es necesario abordar es el precio. Después de todo, en la mayoría de las pilas de combustible se utiliza platino, que es muy caro, como catalizador. Una vez más, algunos de los fabricantes están intentando aprovechar al máximo las tecnologías de silicio ya bien establecidas.

En cuanto a otros ámbitos de utilización de las pilas de combustible, éstas ya se han consolidado bastante, aunque todavía no se han generalizado ni en el sector de la energía ni en el transporte. Muchos fabricantes de automóviles ya han presentado sus prototipos propulsados ​​por pilas de combustible. Los autobuses de pila de combustible circulan por varias ciudades del mundo. Canadian Ballard Power Systems produce una gama de generadores estacionarios con una capacidad de 1 a 250 kW. Al mismo tiempo, los generadores de kilovatios están diseñados para suministrar inmediatamente electricidad, calor y agua caliente a un apartamento.

Pila de combustible ( Pila de combustible) es un dispositivo que convierte la energía química en energía eléctrica. Es similar en principio a una batería convencional, pero se diferencia en que su funcionamiento requiere un suministro constante de sustancias del exterior para que se produzca la reacción electroquímica. Se suministran hidrógeno y oxígeno a las pilas de combustible y la producción es electricidad, agua y calor. Sus ventajas incluyen el respeto al medio ambiente, la fiabilidad, la durabilidad y la facilidad de operación. A diferencia de las baterías convencionales, los convertidores electroquímicos pueden funcionar prácticamente indefinidamente mientras se les suministre combustible. No es necesario cargarlos durante horas hasta que estén completamente cargados. Además, las propias celdas pueden cargar la batería mientras el coche está aparcado con el motor apagado.

Las pilas de combustible más utilizadas en los vehículos de hidrógeno son las pilas de combustible de membrana de protones (PEMFC) y las pilas de combustible de óxido sólido (SOFC).

Una pila de combustible de membrana de intercambio de protones funciona de la siguiente manera. Entre el ánodo y el cátodo se encuentra una membrana especial y un catalizador recubierto de platino. Se suministra hidrógeno al ánodo y oxígeno (por ejemplo, del aire) al cátodo. En el ánodo, el hidrógeno se descompone en protones y electrones con la ayuda de un catalizador. Los protones de hidrógeno atraviesan la membrana y llegan al cátodo, y los electrones se transfieren al circuito externo (la membrana no les deja pasar). La diferencia de potencial así obtenida conduce a la generación de corriente eléctrica. En el lado del cátodo, los protones de hidrógeno son oxidados por el oxígeno. Como resultado, aparece vapor de agua, que es el elemento principal de los gases de escape de los automóviles. Al poseer una alta eficiencia, las celdas PEM tienen un inconveniente importante: para su funcionamiento se necesita hidrógeno puro, cuyo almacenamiento constituye un problema bastante grave.

Si se encuentra un catalizador que reemplace al costoso platino en estas celdas, inmediatamente se creará una celda de combustible barata para generar electricidad, lo que significará que el mundo se librará de la dependencia del petróleo.

Celdas de óxido sólido

Las celdas SOFC de óxido sólido son mucho menos exigentes en cuanto a la pureza del combustible. Además, gracias al uso de un reformador POX (Oxidación Parcial), dichas células pueden consumir gasolina normal como combustible. El proceso de convertir gasolina directamente en electricidad es el siguiente. En un dispositivo especial, un reformador, a una temperatura de aproximadamente 800 ° C, la gasolina se evapora y se descompone en sus elementos constituyentes.

Esto libera hidrógeno y dióxido de carbono. Además, también bajo la influencia de la temperatura y utilizando directamente SOFC (que consiste en un material cerámico poroso a base de óxido de circonio), el oxígeno del aire oxida el hidrógeno. Después de obtener hidrógeno a partir de gasolina, el proceso continúa según el escenario descrito anteriormente, con una única diferencia: la pila de combustible SOFC, a diferencia de los dispositivos que funcionan con hidrógeno, es menos sensible a las impurezas del combustible original. Por tanto, la calidad de la gasolina no debería afectar el rendimiento de la pila de combustible.

La alta temperatura de funcionamiento de SOFC (650 a 800 grados) es un inconveniente importante; el proceso de calentamiento tarda unos 20 minutos. Pero el exceso de calor no es un problema, ya que es eliminado por completo por el aire restante y los gases de escape producidos por el reformador y la propia pila de combustible. Esto permite integrar el sistema SOFC en un vehículo como un dispositivo separado en una carcasa con aislamiento térmico.

La estructura modular le permite alcanzar el voltaje requerido conectando un conjunto de celdas estándar en serie. Y, quizás lo más importante desde el punto de vista de la implementación de tales dispositivos, SOFC no contiene electrodos a base de platino muy costosos. Es el elevado coste de estos elementos el que constituye uno de los obstáculos en el desarrollo y difusión de la tecnología PEMFC.

Tipos de pilas de combustible

Actualmente, existen los siguientes tipos de pilas de combustible:

• A.F.C.– Pila de combustible alcalina (pila de combustible alcalina);
• PAFC– Pila de combustible de ácido fosfórico (pila de combustible de ácido fosfórico);
• PEMFC– Pila de combustible de membrana de intercambio de protones (pila de combustible con membrana de intercambio de protones);
• DMFC– Pila de Combustible de Metanol Directo (pila de combustible con descomposición directa del metanol);
• MCFC– Molten Carbonate Fuel Cell (pila de combustible de carbonato fundido);
• SOFC– Pila de Combustible de Óxido Sólido (pila de combustible de óxido sólido).

Una pila de combustible es un dispositivo que produce calor y corriente continua de manera eficiente mediante una reacción electroquímica y utiliza un combustible rico en hidrógeno. Su principio de funcionamiento es similar al de una batería. Estructuralmente, la pila de combustible está representada por un electrolito. ¿Qué tiene de especial? A diferencia de las baterías, las pilas de combustible de hidrógeno no almacenan energía eléctrica, no requieren electricidad para recargarse y no se descargan. Las células continúan produciendo electricidad mientras tengan suministro de aire y combustible.

Peculiaridades

La diferencia entre las pilas de combustible y otros generadores de electricidad es que no queman combustible durante el funcionamiento. Debido a esta característica, no requieren rotores de alta presión y no emiten ruidos ni vibraciones fuertes. La electricidad en las pilas de combustible se genera mediante una reacción electroquímica silenciosa. La energía química del combustible en estos dispositivos se convierte directamente en agua, calor y electricidad.

Las pilas de combustible son muy eficientes y no producen grandes cantidades de gases de efecto invernadero. El producto de emisión durante el funcionamiento de la célula es una pequeña cantidad de agua en forma de vapor y dióxido de carbono, que no se libera si se utiliza hidrógeno puro como combustible.

Historia de la apariencia

En las décadas de 1950 y 1960, la creciente necesidad de la NASA de fuentes de energía para misiones espaciales de larga duración provocó uno de los desafíos más críticos para las pilas de combustible que existían en ese momento. Las pilas alcalinas utilizan oxígeno e hidrógeno como combustible, que se convierten mediante una reacción electroquímica en subproductos útiles durante los vuelos espaciales: electricidad, agua y calor.

Las pilas de combustible se descubrieron por primera vez a principios del siglo XIX, en 1838. Al mismo tiempo aparecieron las primeras informaciones sobre su eficacia.

Los trabajos sobre pilas de combustible que utilizaban electrolitos alcalinos comenzaron a finales de los años treinta. Las pilas con electrodos niquelados sometidos a alta presión no se inventaron hasta 1939. Durante la Segunda Guerra Mundial se desarrollaron para los submarinos británicos pilas de combustible compuestas por pilas alcalinas con un diámetro de unos 25 centímetros.

El interés por ellos aumentó en los años 1950-80, caracterizados por una escasez de combustible derivado del petróleo. Países de todo el mundo han comenzado a abordar los problemas de contaminación del aire y del medio ambiente en un esfuerzo por desarrollar una tecnología de producción de pilas de combustible respetuosa con el medio ambiente que actualmente se encuentra en desarrollo activo.

Principio de funcionamiento

Las pilas de combustible generan calor y electricidad como resultado de una reacción electroquímica en la que participan un cátodo, un ánodo y un electrolito.

El cátodo y el ánodo están separados por un electrolito conductor de protones. Después de que el oxígeno ingresa al cátodo y el hidrógeno ingresa al ánodo, se inicia una reacción química que genera calor, corriente y agua.

Se disocia en el ánodo del catalizador, lo que conduce a la pérdida de electrones. Los iones de hidrógeno ingresan al cátodo a través del electrolito, mientras que los electrones pasan a través de la red eléctrica externa y crean una corriente continua, que se utiliza para alimentar el equipo. Una molécula de oxígeno en el catalizador catódico se combina con un electrón y un protón entrante, formando finalmente agua, que es el único producto de la reacción.

Tipos

La elección de un tipo específico de pila de combustible depende de su aplicación. Todas las pilas de combustible se dividen en dos categorías principales: alta temperatura y baja temperatura. Estos últimos utilizan hidrógeno puro como combustible. Estos dispositivos suelen requerir el procesamiento de combustible primario para obtener hidrógeno puro. El proceso se lleva a cabo utilizando equipos especiales.

Las pilas de combustible de alta temperatura no necesitan esto porque convierten el combustible a temperaturas elevadas, eliminando la necesidad de infraestructura de hidrógeno.

El principio de funcionamiento de las pilas de combustible de hidrógeno se basa en la conversión de energía química en energía eléctrica sin procesos de combustión ineficaces y en la transformación de energía térmica en energía mecánica.

Conceptos generales

Las pilas de combustible de hidrógeno son dispositivos electroquímicos que producen electricidad mediante una combustión "fría" altamente eficiente de combustible. Existen varios tipos de estos dispositivos. Se considera que la tecnología más prometedora son las pilas de combustible de hidrógeno y aire equipadas con una membrana de intercambio de protones PEMFC.

La membrana polimérica conductora de protones está diseñada para separar dos electrodos: el cátodo y el ánodo. Cada uno de ellos está representado por una matriz de carbono sobre la que se deposita un catalizador. se disocia en el catalizador anódico, donando electrones. Los cationes se conducen al cátodo a través de la membrana, pero los electrones se transfieren al circuito externo porque la membrana no está diseñada para transferir electrones.

Una molécula de oxígeno en el catalizador catódico se combina con un electrón del circuito eléctrico y un protón entrante, formando finalmente agua, que es el único producto de la reacción.

Las pilas de combustible de hidrógeno se utilizan para fabricar unidades de electrodos de membrana, que actúan como principales elementos generadores del sistema energético.

Ventajas de las pilas de combustible de hidrógeno

Entre ellos están:

• Mayor capacidad calorífica específica.
• Amplio rango de temperatura de funcionamiento.
• Sin vibraciones, ruidos ni manchas de calor.
• Fiabilidad de arranque en frío.
• Sin autodescarga, lo que garantiza un almacenamiento de energía a largo plazo.
• Autonomía ilimitada gracias a la posibilidad de ajustar la intensidad energética cambiando el número de cartuchos de combustible.
• Proporcionando prácticamente cualquier intensidad energética cambiando la capacidad de almacenamiento de hidrógeno.
• Larga vida útil.
• Funcionamiento silencioso y respetuoso con el medio ambiente.
• Alto nivel de intensidad energética.
• Tolerancia a impurezas extrañas en el hidrógeno.

Área de aplicación

Debido a su alta eficiencia, las pilas de combustible de hidrógeno se utilizan en diversos campos:

• Cargadores portátiles.
• Sistemas de alimentación para vehículos aéreos no tripulados.
• Fuente de poder ininterrumpida.
• Otros dispositivos y equipos.

Perspectivas de la energía del hidrógeno

El uso generalizado de pilas de combustible de peróxido de hidrógeno sólo será posible después de la creación de un método eficaz para producir hidrógeno. Se necesitan nuevas ideas para poner en práctica esta tecnología, con grandes esperanzas puestas en el concepto de células de biocombustible y nanotecnología. Algunas empresas han lanzado hace relativamente poco tiempo catalizadores eficaces a base de varios metales, al mismo tiempo que ha aparecido información sobre la creación de pilas de combustible sin membranas, lo que ha permitido reducir significativamente el coste de producción y simplificar el diseño de dichos dispositivos. Las ventajas y características de las pilas de combustible de hidrógeno no superan su principal desventaja: su alto coste, especialmente en comparación con los dispositivos de hidrocarburos. La creación de una central eléctrica de hidrógeno requiere un mínimo de 500 mil dólares.

¿Cómo montar una pila de combustible de hidrógeno?

Usted mismo puede crear una pila de combustible de bajo consumo en un laboratorio doméstico o escolar. Los materiales utilizados son una vieja máscara antigás, trozos de plexiglás, una solución acuosa de alcohol etílico y álcali.

El cuerpo de una pila de combustible de hidrógeno se crea con sus propias manos a partir de plexiglás con un espesor de al menos cinco milímetros. Las particiones entre los compartimentos pueden ser más delgadas, unos 3 milímetros. El plexiglás se pega con un pegamento especial hecho de cloroformo o dicloroetano y virutas de plexiglás. Todo el trabajo se realiza únicamente con el capó en funcionamiento.

En la pared exterior de la carcasa, se perfora un orificio con un diámetro de 5 a 6 centímetros, en el que se insertan un tapón de goma y un tubo de drenaje de vidrio. El carbón activado de la máscara de gas se vierte en el segundo y cuarto compartimento de la carcasa de la pila de combustible; se utilizará como electrodo.

En la primera cámara circulará combustible, mientras que en la quinta se llenará de aire, del que se suministrará oxígeno. El electrolito, vertido entre los electrodos, se impregna con una solución de parafina y gasolina para evitar que entre en la cámara de aire. Sobre la capa de carbón se colocan placas de cobre con cables soldados, a través de las cuales se drenará la corriente.

La pila de combustible de hidrógeno montada se carga con vodka diluido con agua en una proporción de 1:1. Se agrega cuidadosamente potasio cáustico a la mezcla resultante: 70 gramos de potasio se disuelven en 200 gramos de agua.

Antes de probar una pila de combustible de hidrógeno, se vierte combustible en la primera cámara y electrolito en la tercera. La lectura de un voltímetro conectado a los electrodos debe variar de 0,7 a 0,9 voltios. Para garantizar el funcionamiento continuo del elemento, se debe eliminar el combustible gastado y verter combustible nuevo a través de un tubo de goma. Apretando el tubo, se ajusta la tasa de suministro de combustible. Estas pilas de combustible de hidrógeno, ensambladas en casa, tienen poca potencia.

Desde el punto de vista de la energía “verde”, las pilas de combustible de hidrógeno tienen una eficiencia extremadamente alta, del 60%. A modo de comparación: la eficiencia de los mejores motores de combustión interna es del 35-40%. En el caso de las plantas de energía solar, el coeficiente es sólo del 15-20%, pero depende en gran medida de las condiciones climáticas. La eficiencia de los mejores parques eólicos con impulsores alcanza el 40%, lo que es comparable a la de los generadores de vapor, pero las turbinas eólicas también requieren condiciones climáticas adecuadas y un mantenimiento costoso.

Como podemos ver, en cuanto a este parámetro, la energía del hidrógeno es la fuente de energía más atractiva, pero aún existen una serie de problemas que impiden su uso masivo. El más importante de ellos es el proceso de producción de hidrógeno.

Problemas mineros

La energía del hidrógeno es respetuosa con el medio ambiente, pero no autónoma. Para funcionar, una pila de combustible necesita hidrógeno, que no se encuentra en la Tierra en su forma pura. Es necesario producir hidrógeno, pero todos los métodos existentes actualmente son muy caros o ineficaces.

Se considera que el método más eficaz en términos de volumen de hidrógeno producido por unidad de energía gastada es el método de reformado con vapor de gas natural. El metano se combina con vapor de agua a una presión de 2 MPa (unas 19 atmósferas, es decir, una presión a una profundidad de unos 190 m) y una temperatura de unos 800 grados, lo que da como resultado un gas convertido con un contenido de hidrógeno del 55-75%. El reformado con vapor requiere enormes instalaciones que sólo pueden utilizarse en producción.

Un horno tubular para el reformado de metano con vapor no es la forma más ergonómica de producir hidrógeno. Fuente: CTK-Euro

Un método más conveniente y sencillo es la electrólisis del agua. Cuando una corriente eléctrica pasa a través del agua a tratar, se producen una serie de reacciones electroquímicas que dan como resultado la formación de hidrógeno. Una desventaja importante de este método es el alto consumo de energía necesario para llevar a cabo la reacción. Es decir, surge una situación un tanto extraña: para obtener energía del hidrógeno se necesita… energía. Para evitar costes innecesarios durante la electrólisis y conservar recursos valiosos, algunas empresas se esfuerzan por desarrollar sistemas de ciclo completo "electricidad - hidrógeno - electricidad", en los que la producción de energía sea posible sin recarga externa. Un ejemplo de este tipo de sistema es el desarrollo de Toshiba H2One.

Central eléctrica móvil Toshiba H2One

Hemos desarrollado la minicentral eléctrica móvil H2One que convierte el agua en hidrógeno y el hidrógeno en energía. Para mantener la electrólisis, utiliza paneles solares y el exceso de energía se almacena en baterías y garantiza que el sistema funcione en ausencia de luz solar. El hidrógeno resultante se suministra directamente a las pilas de combustible o se envía para su almacenamiento en un tanque integrado. En una hora, el electrolizador H2One genera hasta 2 m 3 de hidrógeno y proporciona una potencia de salida de hasta 55 kW. Para producir 1 m 3 de hidrógeno, la estación necesita hasta 2,5 m 3 de agua.

Si bien la estación H2One no es capaz de suministrar electricidad a una gran empresa o a una ciudad entera, su energía será suficiente para el funcionamiento de pequeñas áreas u organizaciones. Gracias a su portabilidad, también se puede utilizar como solución temporal durante desastres naturales o cortes de energía de emergencia. Además, a diferencia de un generador diésel, que requiere combustible para funcionar correctamente, una central eléctrica de hidrógeno sólo requiere agua.

Actualmente, el Toshiba H2One sólo se utiliza en unas pocas ciudades de Japón; por ejemplo, suministra electricidad y agua caliente a la estación de tren de la ciudad de Kawasaki.

Instalación del sistema H2One en Kawasaki

Futuro del hidrógeno

Hoy en día, las pilas de combustible de hidrógeno proporcionan energía para bancos de energía portátiles, autobuses urbanos con automóviles y transporte ferroviario. (Hablaremos más sobre el uso del hidrógeno en la industria automotriz en nuestro próximo post). Las pilas de combustible de hidrógeno resultaron inesperadamente ser una excelente solución para los cuadricópteros: con una masa similar a la de la batería, el suministro de hidrógeno proporciona un tiempo de vuelo hasta cinco veces mayor. Sin embargo, las heladas no afectan de ninguna manera la eficiencia. Para el rodaje de los Juegos Olímpicos de Sochi se utilizaron drones experimentales con pila de combustible producidos por la empresa rusa AT Energy.

Se sabe que en los próximos Juegos Olímpicos de Tokio el hidrógeno se utilizará en los automóviles, en la producción de electricidad y calor, y también se convertirá en la principal fuente de energía para la villa olímpica. Para tal efecto, por orden de Toshiba Energy Systems & Solutions Corp. En la ciudad japonesa de Namie se está construyendo una de las plantas de producción de hidrógeno más grandes del mundo. La central consumirá hasta 10 MW de energía obtenida de fuentes “verdes”, generando hasta 900 toneladas de hidrógeno al año mediante electrólisis.

La energía del hidrógeno es nuestra “reserva para el futuro”, cuando los combustibles fósiles tendrán que abandonarse por completo y las fuentes de energía renovables no podrán satisfacer las necesidades de la humanidad. Según las previsiones de Markets&Markets, el volumen de producción mundial de hidrógeno, que actualmente asciende a 115.000 millones de dólares, crecerá hasta 154.000 millones de dólares en 2022. Pero es poco probable que la implementación masiva de la tecnología se produzca en un futuro próximo, debido a una serie de problemas asociados con la producción. Aún es necesario resolver la producción y operación de centrales eléctricas especiales y reducir sus costos. Cuando se superen las barreras tecnológicas, la energía del hidrógeno alcanzará un nuevo nivel y puede estar tan extendida como la energía tradicional o la hidroeléctrica en la actualidad.

Operan la nave espacial de la Administración Nacional de Aeronáutica y del Espacio (NASA) de EE. UU. Proporcionan energía a las computadoras del First National Bank en Omaha. Se utilizan en algunos autobuses urbanos públicos de Chicago.

Todas estas son pilas de combustible. Las pilas de combustible son dispositivos electroquímicos que producen electricidad sin combustión, químicamente de forma muy parecida a las baterías. La única diferencia es que utilizan diferentes químicos, hidrógeno y oxígeno, y el producto de la reacción química es agua. También se puede utilizar gas natural, pero cuando se utilizan combustibles de hidrocarburos, por supuesto, es inevitable un cierto nivel de emisiones de dióxido de carbono.

Debido a que las pilas de combustible pueden funcionar con alta eficiencia y sin emisiones nocivas, son muy prometedoras como fuente de energía sostenible que ayudará a reducir las emisiones de gases de efecto invernadero y otros contaminantes. El principal obstáculo para el uso generalizado de las pilas de combustible es su elevado coste en comparación con otros dispositivos que generan electricidad o propulsan vehículos.

Historia del desarrollo

Las primeras pilas de combustible fueron demostradas por Sir William Groves en 1839. Groves demostró que el proceso de electrólisis (la división del agua en hidrógeno y oxígeno bajo la influencia de una corriente eléctrica) es reversible. Es decir, el hidrógeno y el oxígeno se pueden combinar químicamente para formar electricidad.

Después de que esto se demostró, muchos científicos se apresuraron a estudiar las pilas de combustible con celo, pero la invención del motor de combustión interna y el desarrollo de la infraestructura de reservas de petróleo en la segunda mitad del siglo XIX dejaron muy atrás el desarrollo de las pilas de combustible. El desarrollo de las pilas de combustible se vio aún más obstaculizado por su elevado coste.

Un auge en el desarrollo de las pilas de combustible se produjo en los años 50, cuando la NASA recurrió a ellas debido a la necesidad de un generador eléctrico compacto para vuelos espaciales. La inversión se realizó y los vuelos Apollo y Gemini fueron propulsados ​​por pilas de combustible. Las naves espaciales también funcionan con pilas de combustible.

Las pilas de combustible siguen siendo en gran medida una tecnología experimental, pero varias empresas ya las están vendiendo en el mercado comercial. Sólo en los últimos casi diez años, se han logrado avances significativos en la tecnología de pilas de combustible comerciales.

¿Cómo funciona una pila de combustible?

Las pilas de combustible son similares a las baterías: producen electricidad mediante una reacción química. Por el contrario, los motores de combustión interna queman combustible y producen calor, que luego se convierte en energía mecánica. A menos que el calor de los gases de escape se utilice de alguna manera (por ejemplo, para calefacción o aire acondicionado), se puede decir que la eficiencia del motor de combustión interna es bastante baja. Por ejemplo, se espera que la eficiencia de las pilas de combustible cuando se utilizan en un vehículo, un proyecto actualmente en desarrollo, sea más del doble de la eficiencia de los motores de gasolina típicos que se utilizan actualmente en los automóviles.

Aunque tanto las baterías como las pilas de combustible producen electricidad químicamente, realizan dos funciones muy diferentes. Las baterías son dispositivos de energía almacenada: la electricidad que producen es el resultado de una reacción química de una sustancia que ya se encuentra en su interior. Las pilas de combustible no almacenan energía, sino que convierten parte de la energía del combustible suministrado externamente en electricidad. En este sentido, una pila de combustible se parece más a una central eléctrica convencional.

Existen varios tipos diferentes de pilas de combustible. La pila de combustible más simple consta de una membrana especial conocida como electrolito. Se aplican electrodos en polvo a ambos lados de la membrana. Este diseño, un electrolito rodeado por dos electrodos, es un elemento independiente. El hidrógeno va a un lado (ánodo) y el oxígeno (aire) al otro (cátodo). En cada electrodo se producen diferentes reacciones químicas.

En el ánodo, el hidrógeno se descompone en una mezcla de protones y electrones. En algunas pilas de combustible, los electrodos están rodeados por un catalizador, normalmente de platino u otros metales nobles, que favorece la reacción de disociación:

2H2 ==> 4H+ + 4e-.

H2 = molécula de hidrógeno diatómico, forma, en

en el que el hidrógeno está presente en forma de gas;

H+ = hidrógeno ionizado, es decir protón;

e- = electrón.

El funcionamiento de una pila de combustible se basa en que el electrolito deja pasar los protones (hacia el cátodo), pero los electrones no. Los electrones se mueven hacia el cátodo a lo largo de un circuito conductor externo. Este movimiento de electrones es una corriente eléctrica que se puede utilizar para impulsar un dispositivo externo conectado a la pila de combustible, como un motor eléctrico o una bombilla. Este dispositivo suele denominarse "carga".

En el lado del cátodo de la pila de combustible, los protones (que han pasado a través del electrolito) y los electrones (que han pasado a través de la carga externa) se “recombinan” y reaccionan con el oxígeno suministrado al cátodo para formar agua, H2O:

4H+ + 4e- + O2 ==> 2H2O.

La reacción total en una pila de combustible se escribe de la siguiente manera:

2H2 + O2 ==> 2H2O.

Para su funcionamiento, las pilas de combustible utilizan hidrógeno y oxígeno del aire. El hidrógeno se puede suministrar directamente o separándolo de una fuente de combustible externa como gas natural, gasolina o metanol. En el caso de una fuente externa, se debe convertir químicamente para extraer el hidrógeno. Este proceso se llama "reforma". El hidrógeno también se puede producir a partir de amoníaco, recursos alternativos como el gas de los vertederos urbanos y de las plantas de tratamiento de aguas residuales, y mediante electrólisis del agua, que utiliza electricidad para descomponer el agua en hidrógeno y oxígeno. Actualmente, la mayoría de las tecnologías de pilas de combustible utilizadas en el transporte utilizan metanol.

Se han desarrollado varios medios para reformar los combustibles y producir hidrógeno para pilas de combustible. El Departamento de Energía de EE.UU. ha desarrollado una unidad de combustible dentro de un reformador de gasolina para suministrar hidrógeno a una pila de combustible autónoma. Investigadores del Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico en Estados Unidos han demostrado un reformador de combustible compacto de una décima parte del tamaño de una fuente de energía. La empresa estadounidense Northwest Power Systems y Sandia National Laboratories han demostrado un reformador de combustible que convierte el combustible diésel en hidrógeno para pilas de combustible.

Individualmente, las pilas de combustible producen entre 0,7 y 1,0 V cada una. Para aumentar el voltaje, los elementos se ensamblan en una "cascada", es decir. conexión en serie. Para crear más corriente, se conectan en paralelo conjuntos de elementos en cascada. Si combinas cascadas de pilas de combustible con un sistema de combustible, un sistema de refrigeración y suministro de aire y un sistema de control, obtendrás un motor de pila de combustible. Este motor puede alimentar un vehículo, una central eléctrica estacionaria o un generador eléctrico portátil6. Los motores de pila de combustible vienen en diferentes tamaños según la aplicación, el tipo de pila de combustible y el combustible utilizado. Por ejemplo, cada una de las cuatro centrales eléctricas estacionarias de 200 kW instaladas en un banco de Omaha tiene aproximadamente el tamaño de un camión con remolque.

Aplicaciones

Las pilas de combustible se pueden utilizar tanto en dispositivos fijos como móviles. En respuesta al endurecimiento de las regulaciones sobre emisiones en Estados Unidos, los fabricantes de automóviles, incluidos DaimlerChrysler, Toyota, Ford, General Motors, Volkswagen, Honda y Nissan, han comenzado a experimentar y hacer demostraciones de vehículos propulsados ​​por celdas de combustible. Se espera que los primeros vehículos comerciales de pila de combustible lleguen a las carreteras en 2004 o 2005.

Un hito importante en el desarrollo de la tecnología de pilas de combustible fue la demostración en junio de 1993 del autobús urbano experimental de 32 pies de Ballard Power System propulsado por un motor de pila de combustible de hidrógeno de 90 kilovatios. Desde entonces, se han desarrollado y puesto en servicio muchos tipos diferentes y distintas generaciones de vehículos de pasajeros con pila de combustible, que funcionan con diferentes tipos de combustible. Desde finales de 1996, se utilizan tres carritos de golf con pilas de combustible de hidrógeno en Palm Desert, California. En las carreteras de Chicago, Illinois; Vancouver, Columbia Británica; y en Oslo, Noruega, se están probando autobuses urbanos propulsados ​​por pilas de combustible. En las calles de Londres se están probando taxis propulsados ​​por pilas de combustible alcalino.

También se están demostrando instalaciones estacionarias que utilizan tecnología de pilas de combustible, pero aún no se utilizan ampliamente comercialmente. El First National Bank of Omaha en Nebraska utiliza un sistema de pila de combustible para alimentar sus computadoras porque el sistema es más confiable que el sistema antiguo, que funcionaba fuera de la red principal con energía de batería de respaldo. El sistema de pila de combustible comercial más grande del mundo, con una potencia de 1,2 MW, pronto se instalará en un centro de procesamiento de correo en Alaska. También se están probando y demostrando ordenadores portátiles que funcionan con pilas de combustible, sistemas de control utilizados en plantas de tratamiento de aguas residuales y máquinas expendedoras.

"Pros y contras"

Las pilas de combustible tienen una serie de ventajas. Mientras que los motores de combustión interna modernos tienen una eficiencia de sólo un 12-15%, las pilas de combustible tienen una eficiencia del 50%. La eficiencia de las pilas de combustible puede seguir siendo bastante alta incluso cuando no se utilizan a su máxima potencia, lo que supone una gran ventaja en comparación con los motores de gasolina.

El diseño modular de las pilas de combustible significa que la potencia de una central eléctrica de pilas de combustible se puede aumentar simplemente añadiendo más etapas. Esto garantiza que se minimice la subutilización de la capacidad, lo que permite una mejor adecuación de la oferta y la demanda. Dado que la eficiencia de una pila de combustible está determinada por el rendimiento de las celdas individuales, las plantas de energía de celdas de combustible pequeñas funcionan con la misma eficiencia que las grandes. Además, el calor residual de los sistemas de pilas de combustible estacionarias se puede utilizar para calentar agua y espacios, aumentando aún más la eficiencia energética.

Prácticamente no se producen emisiones nocivas cuando se utilizan pilas de combustible. Cuando un motor funciona con hidrógeno puro, sólo se producen como subproductos calor y vapor de agua puro. Así, en las naves espaciales, los astronautas beben agua, que se forma como resultado del funcionamiento de las pilas de combustible a bordo. La composición de las emisiones depende de la naturaleza de la fuente de hidrógeno. El metanol produce cero emisiones de óxido de nitrógeno y monóxido de carbono y sólo pequeñas emisiones de hidrocarburos. Las emisiones aumentan a medida que se pasa del hidrógeno al metanol y la gasolina, aunque incluso con gasolina las emisiones seguirán siendo bastante bajas. En cualquier caso, sustituir los actuales motores de combustión interna tradicionales por pilas de combustible conduciría a una reducción general de las emisiones de CO2 y de óxido de nitrógeno.

El uso de pilas de combustible proporciona flexibilidad a la infraestructura energética, creando oportunidades adicionales para la producción de electricidad descentralizada. La multiplicidad de fuentes de energía descentralizadas permite reducir las pérdidas durante la transmisión de electricidad y desarrollar mercados energéticos (lo cual es especialmente importante para áreas remotas y rurales sin acceso a líneas eléctricas). Con la ayuda de las pilas de combustible, los residentes individuales o los barrios pueden producir la mayor parte de su propia electricidad y así aumentar significativamente la eficiencia energética.

Las pilas de combustible ofrecen energía de alta calidad y mayor confiabilidad. Son duraderos, no tienen partes móviles y producen una cantidad constante de energía.

Sin embargo, es necesario mejorar aún más la tecnología de las pilas de combustible para mejorar el rendimiento, reducir los costos y así hacer que las pilas de combustible sean competitivas con otras tecnologías energéticas. Cabe señalar que cuando se consideran las características de costos de las tecnologías energéticas, las comparaciones deben hacerse basándose en las características de todas las tecnologías que las componen, incluidos los costos operativos de capital, las emisiones contaminantes, la calidad de la energía, la durabilidad, el desmantelamiento y la flexibilidad.

Aunque el gas hidrógeno es el mejor combustible, aún no existe la infraestructura ni la base de transporte para ello. En un futuro próximo, los sistemas de suministro de combustibles fósiles existentes (gasolineras, etc.) podrían utilizarse para proporcionar a las centrales eléctricas fuentes de hidrógeno en forma de gasolina, metanol o gas natural. Esto eliminaría la necesidad de estaciones de servicio de hidrógeno exclusivas, pero requeriría que cada vehículo tuviera instalado un convertidor de combustible fósil a hidrógeno ("reformador"). La desventaja de este enfoque es que utiliza combustibles fósiles y, por tanto, genera emisiones de dióxido de carbono. El metanol, el principal candidato actual, produce menos emisiones que la gasolina, pero requeriría un contenedor más grande en el vehículo porque ocupa el doble de espacio para el mismo contenido energético.

A diferencia de los sistemas de suministro de combustibles fósiles, los sistemas solares y eólicos (que utilizan electricidad para crear hidrógeno y oxígeno a partir del agua) y los sistemas de fotoconversión directa (que utilizan materiales semiconductores o enzimas para producir hidrógeno) podrían proporcionar suministro de hidrógeno sin un paso de reformado y, por lo tanto, las emisiones de Se podrían evitar las sustancias nocivas que se observan al utilizar pilas de combustible de metanol o gasolina. El hidrógeno podría almacenarse y convertirse en electricidad en la pila de combustible según sea necesario. De cara al futuro, combinar pilas de combustible con este tipo de fuentes de energía renovables probablemente sea una estrategia eficaz para proporcionar una fuente de energía productiva, ambientalmente inteligente y versátil.

Las recomendaciones del IEER son que los gobiernos locales, federales y estatales dediquen una parte de sus presupuestos de adquisiciones de transporte a vehículos de celda de combustible, así como a sistemas estacionarios de celdas de combustible, para proporcionar calor y energía a algunos de sus edificios nuevos o importantes. Esto promoverá el desarrollo de tecnología vital y reducirá las emisiones de gases de efecto invernadero.