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¿Cómo funcionan las celdas de hidrógeno para generar energía?

marzo 20, 2022
¿Cómo funcionan las celdas de hidrógeno para generar energía?

Pila de combustible de hidrógeno

Para producir hidrógeno, hay que separarlo de los demás elementos en las moléculas donde se encuentra. Hay muchas fuentes diferentes de hidrógeno y formas de producirlo para utilizarlo como combustible. Los dos métodos más comunes para producir hidrógeno son el reformado con vapor de agua y la electrólisis (división del agua con electricidad). Los investigadores están explorando otros métodos o vías de producción de hidrógeno.

El reformado con vapor de metano representa actualmente casi todo el hidrógeno producido comercialmente en Estados Unidos. Los productores comerciales de hidrógeno y las refinerías de petróleo utilizan el reformado con vapor de metano para separar los átomos de hidrógeno de los átomos de carbono del metano (CH4). En el reformado con vapor de metano, el vapor a alta temperatura (de 1.300 °F a 1.800 °F) a una presión de 3 a 25 bares (1 bar = 14,5 libras por pulgada cuadrada) reacciona con el metano en presencia de un catalizador para producir hidrógeno, monóxido de carbono y una cantidad relativamente pequeña de dióxido de carbono (CO2).

El gas natural es la principal fuente de metano para la producción de hidrógeno en instalaciones industriales y refinerías de petróleo. El gas de vertedero/biogás, que puede denominarse biometano o gas natural renovable, es una fuente de hidrógeno para varias centrales eléctricas de pilas de combustible en Estados Unidos. Los biocombustibles y los combustibles derivados del petróleo también son fuentes potenciales de hidrógeno.

Eficiencia de las pilas de combustible de hidrógeno

Una pila de combustible es una célula electroquímica que convierte la energía química de un combustible (a menudo hidrógeno) y un agente oxidante (a menudo oxígeno[1]) en electricidad a través de un par de reacciones redox[2]. Las pilas de combustible se diferencian de la mayoría de las baterías en que requieren una fuente continua de combustible y oxígeno (normalmente del aire) para mantener la reacción química, mientras que en una batería la energía química suele proceder de los metales y sus iones u óxidos[3] que normalmente ya están presentes en la batería, excepto en las baterías de flujo. Las pilas de combustible pueden producir electricidad de forma continua mientras se les suministre combustible y oxígeno.

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Las primeras pilas de combustible fueron inventadas por Sir William Grove en 1838. El primer uso comercial de las pilas de combustible se produjo más de un siglo después, tras la invención de la pila de combustible de hidrógeno-oxígeno por Francis Thomas Bacon en 1932. La pila de combustible alcalina, también conocida como pila de combustible Bacon en honor a su inventor, se ha utilizado en los programas espaciales de la NASA desde mediados de los años 60 para generar energía para los satélites y las cápsulas espaciales. Desde entonces, las pilas de combustible se han utilizado en muchas otras aplicaciones. Las pilas de combustible se utilizan como energía primaria y de reserva para edificios comerciales, industriales y residenciales y en zonas remotas o inaccesibles. También se utilizan para alimentar vehículos con pilas de combustible, como carretillas elevadoras, automóviles, autobuses, barcos, motocicletas y submarinos.

Central eléctrica de pilas de combustible

Los vehículos de pila de combustible de hidrógeno (FCV) son similares a los vehículos eléctricos (EV) en el sentido de que utilizan un motor eléctrico en lugar de un motor de combustión interna para impulsar las ruedas. Sin embargo, mientras que los VE funcionan con baterías que hay que enchufar para recargarlas, los VFC generan su electricidad a bordo.  En una pila de combustible, el gas hidrógeno (H2) del depósito del vehículo se combina con el oxígeno (O2) del aire para generar electricidad con sólo agua y calor como subproductos del proceso.

Varios fabricantes de automóviles están vendiendo o alquilando vehículos de este tipo en determinados mercados, principalmente en California, donde ya existen algunas estaciones de servicio de hidrógeno. La infraestructura de hidrógeno también está apareciendo en otros lugares del país.  Se están planificando o construyendo estaciones en el noreste y en Hawái, y los autobuses de transporte de pila de combustible ya circulan por las calles de ciudades como Boston (Massachusetts) y Flint (Michigan). Hay planes para ampliar la oferta de vehículos de pila de combustible en los próximos años, a medida que la infraestructura crezca y la tecnología siga madurando.

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Pila de combustible

Una pila de combustible de hidrógeno utiliza la energía química del hidrógeno para producir electricidad. Es una forma de energía limpia cuyos únicos productos y subproductos son la electricidad, el calor y el agua. Las pilas de combustible ofrecen una gran variedad de aplicaciones, desde el transporte hasta la alimentación de emergencia, y pueden alimentar sistemas tan grandes como una central eléctrica o tan pequeños como un ordenador portátil.

Las pilas de combustible ofrecen ventajas sobre las tecnologías tradicionales basadas en la combustión, como una mayor eficiencia y menores emisiones. Como las pilas de combustible de hidrógeno sólo emiten agua, no hay emisiones de dióxido de carbono ni otros contaminantes a la atmósfera. Las pilas de combustible también son silenciosas durante su funcionamiento, ya que tienen menos piezas móviles que las tecnologías de combustión.

TWI tiene experiencia en hidrógeno, incluido su uso para propulsar vehículos. Entre otros proyectos, hemos trabajado en un tanque de combustible de hidrógeno para el futuro de las comunicaciones, y hemos ayudado a desarrollar un sistema de supervisión para mejorar la seguridad de los tanques de almacenamiento de combustible de hidrógeno.

Las pilas de combustible de hidrógeno generan electricidad mediante una reacción química. Cada pila de combustible tiene dos electrodos: un ánodo negativo y un cátodo positivo. La reacción para producir la electricidad se produce en estos electrodos, con un electrolito que transporta partículas cargadas eléctricamente entre ellos y un catalizador para acelerar las reacciones.

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