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ENCICLOPEDIA DE RADIOELECTRÓNICA E INGENIERÍA ELÉCTRICA Elementos combustibles. Enciclopedia de radioelectrónica e ingeniería eléctrica.
Enciclopedia de radioelectrónica e ingeniería eléctrica. / Fuentes alternativas de energía La pila de combustible de hidrógeno y oxígeno fue descubierta en 1838 por el científico inglés W. Grove. Investigó la descomposición del agua en hidrógeno y oxígeno y descubrió que el electrolizador producía una corriente eléctrica. Resultó que existen procesos para convertir combustible en electricidad sin quemarlo. Pero la humanidad obtiene electricidad principalmente de la combustión de petróleo, carbón o gas en centrales térmicas o de combustible nuclear en centrales nucleares. Los procesos que implican combustión implican grandes pérdidas, por lo que cualquier opción para generar electricidad sin quemar combustible atrajo a científicos e ingenieros. ¿Qué es una pila de combustible? Durante la investigación resultó que es necesario preparar combustible para las pilas de combustible. Después de todo, no existe hidrógeno puro en la naturaleza. Tiene que extraerse de combustibles fósiles, como el metano o el gas natural. Una pila de combustible es una fuente química de corriente y, por tanto, consta de un ánodo, un cátodo y un electrolito (ver figura).
En el ánodo, se oxida un agente reductor (hidrógeno), que libera electrones al circuito externo y los iones H+ cargados positivamente ingresan al electrolito. Desde el otro extremo de la cadena, los electrones se acercan al cátodo, al que se suministra aire (oxígeno), y se produce una reacción de reducción (la adición de electrones por un agente oxidante: oxígeno). El electrolito transfiere iones de hidrógeno cargados positivamente (protones) al cátodo, donde se combinan con iones de oxígeno negativos y forman agua H2O. Los electrodos y el electrolito no participan en la reacción. Por lo tanto, se debe suministrar hidrógeno y oxígeno a la pila de combustible, eliminar el agua y eliminar la corriente eléctrica. Los problemas con la producción de hidrógeno llevaron a intentar utilizar otros agentes reductores, en particular monóxido de carbono CO, que es relativamente fácil de obtener a partir del carbón. En los años 30 del siglo XX. El investigador alemán E. Bauer creó una instalación de laboratorio con un electrolito sólido para la oxidación anódica directa del carbón. Actualmente, además del carbón, se puede utilizar casi cualquier combustible orgánico. En lugar de agua en estas pilas de combustible, el producto resultante es dióxido de carbono CO2. ¿Por qué las pilas de combustible son atractivas como fuente de electricidad? En primer lugar, son más respetuosas con el medio ambiente que las centrales térmicas. Las pilas de combustible de hidrógeno y oxígeno producen agua y las pilas de combustible de carbono producen dióxido de carbono, mucho menos por unidad de electricidad que las centrales térmicas. En segundo lugar, tienen una alta eficiencia de alrededor del 40-60% (las grandes centrales térmicas tienen alrededor del 30%). Actualmente se han desarrollado tecnologías con eficiencias de hasta el 90%. Esto permite reducir el consumo de combustibles fósiles al menos 2 veces. En tercer lugar, la fiabilidad del combustible es inusualmente alta. La probabilidad de funcionamiento sin fallos se estima en “siete nueves” o 99,99999%. Tipos de pilas de combustible Estos tipos están determinados por el tipo de electrolito utilizado en las pilas de combustible. 1. Ácido fosfórico. Este tipo de pila de combustible se produce actualmente en masa. Ya se han instalado más de 200 en hospitales, hoteles, escuelas y oficinas. Su eficiencia es del 40%, pero además se utiliza el producto de salida: vapor caliente. La temperatura de funcionamiento en este tipo de pilas de combustible es de unos 200°C. 2. Membranas de intercambio de protones. Estos elementos funcionan a una temperatura más baja (alrededor de 100°C). Las membranas de intercambio de protones son una fina capa de plástico que permite el paso de los protones. El plástico está recubierto por ambas caras con una capa de partículas metálicas (normalmente platino), que son un catalizador activo. Este tipo de pilas de combustible se considera el más prometedor para los automóviles y como sustituto de baterías y acumuladores. 3. Carbonato fundido. Las celdas con este electrolito funcionan a temperaturas de alrededor de 700°C y pueden manejar hidrógeno, monóxido de carbono, gas natural, propano, combustible diesel y otras sustancias. Se han desarrollado instalaciones industriales con capacidades desde 10 kW hasta 2 MW. Estas pilas de combustible son prometedoras como centrales eléctricas estacionarias. 4. Óxidos sólidos. En lugar de un electrolito líquido, se utiliza un material cerámico sólido. La temperatura de funcionamiento en una pila de combustible de este tipo es de hasta 1000°C. La eficiencia alcanza el 60%. Se demuestra una pila de combustible con una potencia de 220 kW. Estas pilas de combustible son prometedoras como potentes centrales eléctricas. 5. Electrolito alcalino. Las pilas de combustible con dicho electrolito (KOH) se utilizan desde hace mucho tiempo en las naves espaciales estadounidenses. Su eficiencia alcanza el 70%. Pero para aplicaciones comerciales siguen siendo demasiado caros. 6. Metanol. La estructura de una célula de este tipo es similar a una célula con una membrana de intercambio de protones, pero está diseñada para extraer hidrógeno del metanol líquido. La eficiencia es de alrededor del 40%. Temperatura de funcionamiento 50-90°C. 7. Pilas de combustible regenerativas. Este tipo de pila de combustible está en investigación. Utiliza un circuito cerrado. El agua se separa en hidrógeno y oxígeno mediante un electrolizador de células solares. El hidrógeno y el oxígeno se introducen en una pila de combustible, que produce electricidad, calor y agua. El agua se recicla nuevamente al electrolizador y el proceso se repite. Este tipo de pilas de combustible es prometedora para naves espaciales y estaciones.
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