22 de junio de 2008

CÉLULA DE COMBUSTIBLE

El pasado lunes, distintos medios de comunicación se hacían eco de la puesta en mercado de un coche de hidrógeno. Su funcionamiento se basa en una pila o célula de combustible que emite vapor de agua. Sin duda, esta noticia es primordial para el medio ambiente y supone el empujoncito que necesitaba para elaborar la entrada que desde hace tiempo tengo en mente. Ya en el post que títule Gotas solidarias apuntaba que más adelante veríamos cómo se puede fabricar agua. Hace menos tiempo, planteaba una reflexión respecto a la especulación que está detrás de la inexplicable subida del gasoil, incluso existiendo alternativas reales al uso de combustibles fósiles cuyos residuos de su combustión incompleta (CO2, CO, N2O, NxOy...) tanto contaminan. Y como muestra un botón: una alternativa real a los vehículos que funcionan por combustión interna son los coches de hidrógeno. Pero ¿qué es una célula de combustible? Para explicarlo, recurriré a la caracterización y estudio de una célula de combustible alcalina de hidrógeno y oxígeno que llevé a cabo en el Departamento de Química Física de la Universidad de Sevilla cuando en el curso 1999-2000 hacía 4º de carrera. Por aquel entonces, las células de este tipo ya se venían utilizando para suministrar energía a los vehículos espaciales y las empresas eléctricas desarrollaban células de combustible con gas natural. En este trabajo de experimentación ya adelantábamos que "en el futuro se podrán utilizar para mover coches y camiones eléctricos". Parece ser que el futuro de entonces ya ha llegado.
Toda combustión es una reacción redox; por ello, las reacciones de combustión se pueden emplear para construir lo que vengo denominando en esta entrada como células de combustible, también llamadas pilas de combustión. Una célula de combustible es un dispositivo en el cual un combustible y un oxidante sufren una reacción química controlada que da lugar a un o unos productos y suministra directamente corriente eléctrica a un circuito externo, además de no producir contaminación alguna. En una celda de combustible la reacción total se divide en dos reacciones que ocurren en electrodos separados. El combustible y el oxidante no se ponen en contacto directamente uno con el otro sino que reaccionan por etapas en electrodos separados por un electrolito.

Una reacción que ocurre en la superficie de un electrodo, ioniza el combustible y manda los electrones liberados a un circuito eléctrico externo. En la superficie del otro electrodo ocurre una reacción que acepta electrones del circuito externo y cuando se combinan con el oxidante crean iones. Los iones de cada reacción se combinan en el electrolito para completar la reacción total. El electrolito es necesario para transportar los iones entre los electrodos y así cerrar el circuito. Esta característica es la que hace posible el flujo de electrones al circuito externo.

La primera pila de comubustión fue construida por F. Bacon en Cambridge, en la década de los años treinta, y se basaba en la combustión del hidrógeno para formar... ¡agua!

H2 + 1/2 O2 => H2O

Este es el fundamento de la célula de combustible de hidrógeno y oxígeno, cuyo esquema aproximado presento a continuación:



El hidrógeno (combustible) suministrado a la célula se difunde a través del ánodo poroso y reacciona sobre la superficie del ánodo con los iones hidroxilos (OH-), formando agua y liberando electrones según la reacción:

H2 + 2 OH- => 2 H2O + 2 e-


Los electrones entran en el circuito exterior y el agua va al electrolito. El oxígeno (oxidante) se combina en la superficie del cátodo con el agua del electrolito y los electrones del circuito exterior, para formar hidroxilos y agua:

1/2 O2 + 2 H2O + 2 e- => 2 OH- + H2O

El electrolito, que separa ambos electrodos, transporta los iones OH- y completa el circuito. El agua es eliminada de la célula. La reacción global será la suma de las reacciones que se producen en los dos compartimentos electródicos:

H2 + 1/2 O2 => H2O

La velocidad de la reacción queda limitada por el tiempo que tardan las especies químicas en difundirse a través de los electrodos, además de por la naturaleza del electrolito. Por ello se emplean electrodos porosos impregnados de catalizador. La utilización de un electrodo de material poroso, frecuentemente carbón, incrementa el área sobre la cual tiene lugar la reacción. Los catalizadores, para células de combustible de baja temperatura que usan electrolitos acuosos como el KOH suelen ser metales nobles caros, tales como el platino.


Imagen de una célula experimental como la usada en la caracterización

En fin, con la aplicación de la célula de combustible como generador de energía para vehículos se fabrica agua (residuo de la combustión) y se solucionan los problemas del agotamiento (y sobre todo, la especulación de las multinacionales) de los combustibles fósiles y la contaminación que provocan los residuos de su combustión.


Más información en: Wikipedia, NASA, FECYT, Portal del transporte en Cuba, Euroresidentes

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