Pilas De Combustible

Pilas De Combustible

Indice

1. Introducción

2. Elementos primarios, secundarios y pilas de combustible

3. Los electrodos porosos

4. Velocidad De Reacción Y Temperatura

5. Electrólitos y catalizadores

6. Tipos de pilas de combustible

7. Fuentes consultadas

1. Introducción

Se trata de ofrecer una visión general sobre las pilas de combustible y presentar al mismo tiempo, algunas definiciones y conceptos básicos de los sectores de la electroquímica y de la termodinámica, tal como ocurre en los acumuladores de plomo y en las pilas de cinc-carbono que son conocidos desde hace más de un siglo y se utilizan habitualmente, en las pilas de combustible tienen lugar fenómenos de transporte de partículas cargadas.

El principio de las pilas de combustible fue descubierto en el año 1839 por el juez galés y científico Sir William Grove y desarrollado en el año 1894 por el químico alemán Wilhelm Ostwald (1853-1932). Sin embargo, ha sido en las últimas décadas cuando las pilas de combustible han vuelto a ser un tema de interés. En la investigación espacial han de emplearse pilas de este tipo para abastecer de energía eléctrica las naves espaciales y los satélites. Las pilas de combustible superaron con éxito sus primeras pruebas importantes en los EE.UU. con ocasión del proyecto Géminis y de los vuelos tripulados a la Luna en el marco del programa Apolo.

Estas pruebas resultaron muy útiles con vistas a desarrollar las múltiples aplicaciones de la transformación directa de la energía sobre la Tierra.

La intención es lograr que el lector esté en condiciones de comprender la transformación directa de la energía en las pilas de combustible, los procesos que tienen lugar en los electrodos de explicar la formación de la interfase ternaria en un electrodo poroso y la constitución de distintas pilas de combustible.

Si existe alguna dificultad para la interpretación de los símbolos o términos técnicos se puede consultar el apéndice. En él están reunidos y explicados los símbolos y los términos técnicos más importantes que aparecen en este texto.

Transformación De Energía

Cuando un combustible se quema en atmósfera de aire, la fuerza que impulsa esta reacción química es la afinidad, es decir, la tendencia que presenta el combustible a reaccionar con el oxígeno. En una combustión normal, la energía resultante de la oxidación del combustible se libera en forma de calor.

COMBUSTIBLE + OXÍGENO  PRODUCTOS DE OXIDACIÓN + CALOR

Este proceso se emplea también para la "generación de energía" en las centrales térmicas en las que, a través de la producción de vapor, se obtiene energía mecánica que luego se transforma en energía eléctrica (figura 1). Sin embargo, es también posible conseguir que esta reacción siga un camino directo de forma que, como consecuencia de la transformación de la energía, se libere inmediatamente energía eléctrica. El dispositivo que permite llevar a cabo este proceso se denomina "pila de combustible".

Por pila de combustible se entiende un dispositivo electroquímico que permite transformar directamente la energía química resultante de una reacción de oxidación de un combustible en energía eléctrica sin tener que convertirla primero en energía térmica. En las pilas de combustible, los reactivos (combustible y agente oxidante) se conducen a los electrodos de forma continua.

En un proceso térmico la energía química se transforma en energía eléctrica después de convertirse sucesivamente en energía térmica y mecánica:

Figura 1

ENERGIA QUIMICA  ENERGIA TERMICA  ENERGIA MECANICA  ENERGIA ELECTRICA

En una pila de combustible se produce un proceso electroquímico directo

ENERGIA QUÍMICA COMBUSTIBLE + AGENTE OXIDANTE ENERGIA ELECTRICA

2. Elementos primarios, secundarios y pilas de combustible

Los elementos galvánicos primarios o pilas y los secundarios o acumuladores se diferencian de las pilas de combustible en que los reactivos vienen prescriptos por lo electrodos elegidos, por lo que su cantidad y su potencial quedan limitadas. En los acumuladores los productos generados durante la descarga pueden convertirse de nuevo en las sustancias iniciales mediante una electrólisis posterior. En las pilas primarias esto no resulta posible, ya que los procesos químicos que se desarrollan durante la generación de energía eléctrica son, en gran medida, irreversibles (figura 2).

La pila de combustible puede suministrar energía mientras se alimenta con combustible y oxígeno. La tensión de salida de la pila es relativamente pequeña, pero la intensidad de la corriente y el rendimiento son favorables.

PILA

(proceso irreversible) ACUMULADOR

(proceso reversible)

ENERGÍA QUÍMICA DESCARGA ENERGIA ELECTRICA ENERGIA ELECTRICA CARGA

 DESCARGA ENERGIA QUÍMICA

Pila alcalina de dióxido de magnesio

visto de sección Acumulador de plomo-ácido

Reacción En La Pila De Combustible

Desde el punto de vista físico, una pila de combustible consta de dos electrodos separados por un electrolito. El combustible, por ejemplo, el hidrógeno, es conducido de forma continua a uno de estos electrodos -el ánodo-. Como electrolito sólo pueden emplearse conductores iónicos tales como bases, ácidos y sales.

A continuación se explica con más detalle el funcionamiento de una pila de combustible mediante el ejemplo de una célula hidrógeno-oxígeno con electrolito alcalino (figura 3). En la pila se oxida el combustible (el hidrógeno) de acuerdo con la siguiente reacción:

2H2 + O2  2H2O

Esta reacción neta produciría una explosión si se mezclaran ambos reactivos y se calentaran o en presencia de una chispa, por lo que la pila de combustible H2-O2 se conoce también con el nombre de "pila de gas detonante". En tal caso, la totalidad de la energía de reacción se disiparía en forma de calor. En la pila de combustible esta reacción exotérmica, que genera una gran cantidad de calor, es reversible. La reacción se regula para que se desarrolle de forma lenta y controlada sin que prácticamente se ceda calor.

Reacciones En Ánodo Y Cátodo

El proceso reversible correspondiente a la reacción neta:

2H2 + O2  2H2O

se subdivide en dos reacciones parciales.

La figura 4 muestra la constitución esquemática y el funcionamiento de una pila de combustible H2-O2.

1.En el material catalíticamente activo, que constituye uno de los electrodos —el ánodo—, se oxida el hidrógeno cediendo electrones. Estos electrones circulan por el circuito externo hacia el cátodo, desarrollando trabajo.

H2  2H

2H + 2OH-  2H2O + 2e- reacción anódica

2.En el cátodo, situado a una cierta distancia, se reduce el oxígeno con incorporación de los electrones cedidos por el ánodo.

O2 + 2H2O + 4e-  4OH- reacción catódica

El electrolito, en este caso una solución concentrada de potasa cáustica (KOH), transporta las cargas, es decir, los iones hidroxilo negativos (iones OH—) formados en el electrodo de oxígeno, hacia el ánodo por el interior de la pila. Conectando el ánodo con el cátodo, a través de una resistencia externa o de carga, la pila suministra energía eléctrica (U . I . t).

3. Los electrodos porosos

Los electrodos empleados en las pilas de combustible hidrógeno-oxígeno son del tipo poroso de difusión gaseosa. De esta forma puede establecerse un buen contacto entre las tres fases que participan en la reacción. En estos puntos se forma la interfase ternaria a través de la que entran en contacto el gas de reacción, el electrodo y el electrolito. En una parte de los poros se alcanza el equilibrio entre la fuerza capilar y la presión del gas (figura 5a). En ellos tiene lugar la reacción en la que se generan la corriente y la tensión. Por tanto, en un electrodo poroso sólo contribuyen a la generación de energía eléctrica aquellos poros en los que la presión capilar y la presión del gas se equilibran (poros en equilibrio). Los poros demasiado estrechos se llenan totalmente de electrolito por efecto de la presión capilar, por lo que en ellos no puede tener lugar la reacción. En los poros demasiado anchos, el gas circula libremente sin llegar a reaccionar.

Para conseguir la transformación más completa posible del gas, los electrodos porosos (según Bacon) se construyen con una estructura de doble capa; la capa de cubierta, dotada de poros finos, se dispone por el lado del electrolito y la capa activa, con poros gruesos, queda en el lado del gas (figura 5b).

Electrodo poroso con un poro en equilibrio, uno demasiado estrecho y otro excesivamente ancho.

Electrodo de doble capa con la interface ternaria – la zona de reaccion – en la que se generan la corriente y la tensión

Tensión De Salida

La tensión de salida de la pila depende de forma decisiva de la afinidad A, es decir, de la tendencia que presentan ambos reactivos a reaccionar entre sí. A temperatura constante (proceso isotérmico) y bajo condiciones reversibles a presión constante, la oxidación del combustible, por ejemplo, del hidrógeno, se desarrolla aprovechando al máximo la entalpía libre de reacción ΔG, es decir, el trabajo de reacción correspondiente al proceso generador de energía eléctrica.

A = — ΔG (menos delta G)

Esta magnitud está relacionada termodinámicamente con la entalpía de reacción ΔH y la entropía de reacción ΔS de acuerdo con la ecuaciσn:

...