PILAS+DE+COMBUSTIBLE+1


 * PILAS DE COMBUSTIBLE **

1. DEFINICIÓN E HISTORIA

2. MECÁNICA Y FUNCIONAMIENTO

3. TIPOS DE PILAS

4. APLICACIONES

5. IMPACTO AMBIENTAL

6. VENTAJAS E INCONVENIENTES

7. BIBLIOGRAFÍA

**1. DEFINICIÓN E HISTORIA**


 * 1.1 DEFINICIÓN:**

Las Pilas de Combustible, también llamadas Pilas de Hidrógeno o Células de Combustible (Fuel Cells) son un sistema [|electroquímico]en los que la energía de una reacción química se convierte directamente en electricidad, similar a una batería, pero con la deferencia que las Pilas de Combustible no se agotan ni necesitan ser recargadas, y producen electricidad desde una fuente externa de combustible y oxígeno. Una Pila de Combustible consiste en un ánodo en el que se inyecta combustible - Hidrógeno normalmente - y un cátodo en el que se introduce un oxidante - aire u oxígeno -, mientras los electrodos están separados por un electrolito iónico conductor. Podemos definir así su funcionamiento gráficamente:




 * 1.2 HISTORIA:**

El principio de funcionamiento de las pilas de combustible fue dado a conocer por primera vez en 1839 por Sir William Grove, quien creó una primitiva pila que usaba ácido sulfúrico como electrolito y trabajaba a temperatura ambiente. Aunque el termino de "Pila de Combustible" no fue usado hasta 1889, cuando L.Mond y C.Langer intentaron construir una unidad que utilizaba aire y gas de hulla industrial. Por aquella época el fenómeno de la conducción eléctrica no estaba claro, se sabía que los metales conducían de acuerdo a la ley de Ohm y que las disoluciones acuosas iónicas conducían grandes entidades llamaban iones. En 1893, Ostwald clarificó este panorama al determinar experimentalmente la función de los diferentes componentes de una pila de combustible como son los electrodos, electrolito y agentes reductores y oxidantes.

Años más tarde, en 1899, Nernst descubriría los electrolitos de óxidos sólidos y esto daría pie al comienzo de las Pilas de Combustible. Nernst observo que la zirconita dotada de diferentes elementos presentaba varios tipos de conducción eléctrica. Por lo cual, era aislante a temperatura ambiente, de 600ºC a 1000ºC conducía iones y a 1500ºC presentaba conductividad mixta. Con estos resultados propuso utilizar sólidos de ZrO2 dotados con 15% de Y2O3, llamada "masa de Nernst" para reemplazar los filamentos de carbono de las lámparas eléctricas. Pero no fue hasta 1935 cuando se pudo aprovechar este electrolito en una Pila de Combustible. Dos años más tarde, en 1937, de la mano de Baur y Preis se realizó la primera operación de Pila de Combustible Cerámica a 1000ºC, en la que usaron conductores iónicos como electrolitos basados en ZrO2 dopado con Mg o Y, con forma de crisol tubular, Hierro o carbón como ánodo y Fe3O4 como cátodo. Como resultado obtuvieron potenciales en circuito abierto (OCV) que oscilaban en torno a 1.1 V a 1000ºC, utilizando H2 como combustible y aire como oxidante. Lo peor de la prueba fueron las bajas densidades de corriente debido a la gran resistencia interna.

Uno de los grandes avances fue en 1958, cuando Francis Bacon sustituyó el electrolito ácido por el básico, KOH, que no es tan corrosivo con los electrodos y supuso el desarrollo de las AFCs (Pilas de Combustibles Alcalinas). Creo la primera AFCs de 5Kw, capaz de accionar una máquina de soldadura. Estas pilas tenían un coste muy elevado, pero su fiabilidad las llevó a ser empleadas en el programa espacial Apolo (1968), proporcionando energía y agua para la nave.

Posteriormente, en 1970, [|DuPont] desarrolló las membranas de [|Nafion], lo que supuso la puesta en marcha de las pilas PEMFC (Pila de Membrana de intercambio de protones), desarrolladas por General Electric, que las utilizó por primera vez para las misiones espaciales Gemini de la NASA.

En el pasado más reciente, UTX, subsidiara de UTC Power fue la primera compañía en fabricar y comercializar un sistema de células de combustible estacionario a gran escala, para su uso como central eléctrica en hospitales, universidades y grandes edificios de oficinas. UTC continúa comercializándola bajo el nombre de PureCell 200, un sistema de 200 Kw y sigue siendo el único proveedor para la NASA. A pesar de su elevado coste en los materiales de construcción, se sigue investigando en ellas por sus exitosas misiones en el espacio y la gran cantidad de combustible (H2 y O2) disponibles.

=2. MECÁNICA Y FUNCIONAMIENTO=


 * 2.1 INTRODUCCIÓN**

El funcionamiento de una pila de combustible es relativamente sencillo, y está basado en el principio de [|reducción-oxidación] de dos sustancias. Básicamente son sistemas electroquímicos que transforman la energía química de una reacción en energía eléctrica. A diferencia de una pila convencional, las pilas de combustible no se acaban ni tienen que ser recargadas. Mientras que se le suministre el combustible desde fuera de la pila esta seguirá funcionando. Las pilas de combustible más conocidas son las de hidrogeno. Para poder establecer el funcionamiento de una pila de combustible primero tenemos que aclarar las distintas partes de las que está compuesta.


 * 2.2 PARTES DE UNA PILA DE COMBUSTIBLE**

Una pila de combustible está formada por dos electrodos separados por una membrana electrolítica. Esta membrana permite el paso de los protones, pero al ser un aislante no permite el paso de los electrones, que se ven forzados a viajar por un circuito externo.

Esta membrana suele estar formada por un material polimérico, siendo el más utilizado (en pilas de hidrogeno) el Nafión. El Nafión es un derivado del teflón que presenta una alta resistencia mecánica y química, y es al mismo tiempo capaz de absorber grandes cantidades de agua, necesaria para que los protones viajen a través de ella. La membrana tiene la función de ejercer de barrera entre los gases de la reacción, pero su principal función es la de conducir los iones, que se producen al perder el combustible sus electrones. Así pues esta membrana es buena conductora de los [|iones], pero debido a su naturaleza orgánica ejerce como un buen aislante eléctrico.
 * 2.2.1 Membrana de intercambio de protones**

La membrana polimérica y los electrodos están a su vez encapsulados en lo que se conoce como placas bipolares, que se encargan básicamente de distribuir el gas reactante uniformemente dentro de la pila de combustible. Estas placas tienen una serie de ranuras en toda su superficie interior que ejercen de conductoras del gas. Los decaimientos de presión y mala distribución del gas propiciarían un funcionamiento discontinuo de la pila. Así pues encontramos tres tipos de diseño de placa que son los que han demostrado un mejor funcionamiento:
 * 2.2.2 Placas bipolares**



-__Diseño en Serpentín__: el camino que siguen los gases reactantes es continuo de principio a fin. Es fácil de fabricar y bastante fiable. Para evitar posibles caídas de presión se utilizan varios canales paralelos como diseño alternativo. -__Diseño en Paralelo__: los canales de flujo requieren menos cantidad de gas para que la pila funcione correctamente, además de asegurar una mejor distribución y menores caídas de presión. -__Diseño Interdigital__.

Por otra parte para que el sistema funcione correctamente, es imprescindible que la membrana de intercambio de protones este humedecida, para facilitar el paso de los protones a través de ella. Así pues demasiado contenido de agua puede causar inundación de los poros de la capa de difusión del gas o de la capa catalizadora, lo que causa mayor resistencia para la transferencia de masa de los reactantes. Para asegurar el correcto funcionamiento de la celda de combustible fue diseñado y construido un sistema de humidificación de gases. El sistema está compuesto por dos recipientes a presión por los cuales circulan las corrientes de gas, con el propósito de humidificarse. Cada recipiente contiene un calentador eléctrico para asegurar que los gases lleguen a la celda de combustible a una temperatura óptima de humidificación.
 * 2.2.3 Membrana: sistema de humidificacion**

Los electrodos de la célula son unas placas de metal conductoras de electricidad que unen la parte no conductora de la célula con la conductora. Los electrodos son básicamente el ánodo, el electrodo al cual llegan los electrones de la celda y ocurre la oxidación, mientras el cátodo es el electrodo al cual llegan los electrones para reaccionar con el oxidante, y producir la reducción.
 * 2.2.4 Electrodos y catalizador**

Hay que tener en cuenta también en el funcionamiento de la pila que las reacciones no ocurren a la misma velocidad en un lado y otro de la pila. Así pues la mayoría de las pilas de combustible requieren de la utilización de catalizadores. En concreto en las pilas de hidrogeno-oxigeno la diferencia de velocidades de reducción del oxigeno, y oxidación del hidrogeno es bastante grande, ya que la reducción del oxigeno ocurre 100 veces más lento que la oxidación del hidrogeno. A grandes rasgos un catalizador es una sustancia que participa en una reacción incrementando su velocidad, pero que no es consumida en la misma, ni sufre una alteración química permanente.

Por lo general el catalizador más utilizado en los electrodos de pilas de combustible es el platino, pero su altísimo coste encarece mucho la fabricación de pilas.

Labor del [|platino]: Una vez que el combustible hidrogeno atraviesa la capa de difusión, y llega al ánodo, se encuentra con una capa de electrolito basada en platino, el cual cataliza la disociación de la molécula de combustible en dos átomos de hidrogeno enlazados con dos átomos de platino. En este momento, cada átomo de hidrogeno libera un electrón para formar un ion hidrogeno H+, que es el que atraviesa la membrana. Este proceso de entrada en contacto del hidrogeno con el platino recibe el nombre de adsorción.


 * 2.3 FUNCIONAMIENTO DE LA PILA DE COMBUSTIBLE**

Después del haber visto las diferentes partes de la pila pasamos a describir en qué consiste el funcionamiento de una pila de combustible. Para ello tomaremos como ejemplo una pila de hidrogeno-oxigeno.

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1. En primer lugar se suministra hidrogeno al ánodo y oxigeno al cátodo. Ambos gases penetran por los canales de las placas bipolares de sus respectivos electrodos, y se distribuyen a lo largo de toda su superficie a través de las capas de difusión de gas.

2. Cuando el hidrogeno en forma de gas llega al ánodo, este se disocia en protones y electrones. Para que esto pueda llevarse a cabo es necesaria la presencia de un catalizador, cuya misión es la de aumentar la velocidad de las reacciones electroquímicas como vimos anteriormente.

3. Debido a las características del electrolito, solo los protones son capaces de llegar al cátodo sin la necesidad de recurrir a un circuito eléctrico externo. Asi cuando los gases reactivos han atravesado la capa de difusión, se encuentran con el catalizador. Esta capa de catalizador tiene como misión disociar la molécula de hidrogeno en protones y electrones. Cuando se ha disociado la molécula combustible, los protones atraviesan la membrana polimérica hasta llegar al cátodo, mientras que los electrones recorren un circuito eléctrico externo hasta llegar a la carga que se desea alimentar.

=3. TIPOS DE PILAS DE COMBUSTIBLE=

Las pilas de combustibles se diferencian por el tipo de electrolito usado. Dependiendo de este electrolito se producen diferentes reacciones químicas. Las más destacan son:


 * 3.1 ALCALINAS**

Fueron las primeras en desarrollar y el primer tipo usado de forma extensiva en el programa espacial de Estados Unidos para producir energía eléctrica y agua a bordo de las naves espaciales. Utilizan una disolución de hidróxido de potasio en agua como electrolito y pueden usar metales como catalizadores en el ánodo y cátodo. Pueden funcionar a temperaturas entre 100 ºC y 250 ºC, aunque en la actualidad las han modernizado para que funcionen de 23 ºC a 70 ºC. Son pilas de alto rendimiento debido a la velocidad a la que tienen lugar las reacciones químicas que se producen en ellas.

Su principal desventaja es que pueden contaminarse por dióxido de carbono, para impedirlo se han desarrollado procesos de purificación del aire lo que incrementa el coste de la pila. Son pilas que han demostrado que pueden estar en funcionamiento mas den 8.000 horas seguidas, pero a pesar de ello para que sean verdaderamente rentables deben estar en funcionamiento 40.000 horas seguidas. Este es el principal obstáculo para comercializar con estas pilas.


 * 3.2 ÁCIDO FOSFÓRITO (PAFC)**

Utilizar ácido fosfórico líquido (M3PO4) como electrolito y electrodos de carbono poroso con catalizador de platino. Es uno de los tipos de pilas más modernos y más usados en la actualidad. Son usadas en la generación de energía estacionaria y también en automóviles pesados como los autobuses urbanos. Generan electricidad a una eficacia del 80% cuando se usan como generadores de energía eléctrica y calorífica, pero son menos eficientes cuando generan solo energía eléctrica.

Las temperaturas de operación se encuentran entre los 180 a 210 °C. Su uso es muy apropiado para generación estacionaria o móvil de gran dimensión como camiones, embarcaciones o trenes.

Existen en producción comercial unidades de alrededor de 200 kW. Cuenta con las desventajas de requerir metales nobles en el catalizador. Utiliza H2 como combustible.


 * 3.3 CONVERSION DIRECTA DE METANOL**

Las pilas de combustible de conversión directa de [|metanol] funcionan con metanol mezclado con vapor de agua y es suministrado directamente al ánodo de la pila. Las pilas de combustible de metanol directo, no tienen muchos de los problemas de almacenamiento que tienen otras pilas, ya que el metanol tiene mayor densidad energética que el hidrógeno (aunque menos que la gasolina). El metanol, al ser líquido como la gasolina, es también más fácil de transportar y suministrar al público usando la infraestructura ya existente.


 * 3.4 CARBONATO FUNDIDO (MFCF)**

Se desarrollan en la actualidad para plantas de energía de carbón en la producción de electricidad. Utilizan un electrolito compuesto de una mezcla de sales de carbonato fundidas dispersas en una matriz cerámica porosa y químicamente inerte de óxido de litio-aluminio. Son más eficientes que otras y tienen un rendimiento del 60 por 100, pero cuando el calor que se desprende es captado y utilizado, el rendimiento total del combustible puede llegar al 85%. Debido a las altas temperaturas que alcanzan los combustibles se convierten en hidrógeno dentro de la propia pila mediante un proceso que se denomina conversión interna, por lo que se reducen costes. Son muy eficientes debido a que aprovechan todo el calor que desprenden. No son propensas a la contaminación por monóxido y dióxido de carbono, permitiendo que se puedan usar en ellas como combustibles gases fabricados con carbón. Una desventaja es su poca duración, debido a las temperaturas que alcanzan y su electrolito corrosivo.


 * 3.5 MEMBRANA POLIMERICA**

Estas proporcionan una densidad energética elevada y tienen la ventaja de ser ligeras y pequeñas. Usar como electrolito un polímero sólido y electrodos porosos de carbono que contienen un catalizador de platino. Usar como combustibles hidrógeno, y expulsan como residuos oxígeno. Estas pilas funcionan a una temperatura bajas de 80 ºC, lo que permite que funcionen rápidamente, debido a esto, son pilas duraderas, ya que no supone desgaste del material. Estas pilas operan con un catalizador de platino, lo que encarece mucho el sistema. Además, el catalizador de platino es extremadamente sensible a la contaminación por CO, por lo que es necesario utilizar un reactor adicional para reducir el nivel de CO en el gas combustible. Son usadas para transportes de pasajeros debido a sus características. Un obstáculo es el almacenamiento de H2, los coches de H2 lo almacenan en el propio vehículo como gas comprimido, pero debido a la poca energía del H2 gas no tienen tanta autonomía como los de gasolina.


 * 3.6 PILAS DE COMBUSTIBLES REVERSIBLES (REGENERATIVAS)**

Las pilas de combustible reversibles producen electricidad a partir del hidrógeno y el oxígeno y generan calor y agua como bioproductos.. No obstante, las pilas de combustible regenerativas pueden usar también electricidad procedente de la energía solar o de otra fuente para dividir el exceso de agua en combustible de oxígeno e hidrógeno (este proceso se llama electrólisis). Este es un tipo de pila relativamente nuevo que está siendo desarrollado por la NASA y otros grupos de investigación.


 * 3.7 ÓXIDO SÓLIDO**

Éstas usan como electrolito un componente de cerámica duro y no poroso, al ser sólido no se tienen que construir con una configuración laminar. Estas pilas operan a unas elevadas temperaturas (1.000ºC). Una de sus ventajas es que son pilas que no se contaminan con monóxido de carbono, que, además, pueden ser usados como combustible. Su principal ventaja es que son capaces de convertir el combustible internamente, lo que permite usar diferentes combustibles; y su principal desventaja es que su arranque es lento y necesitan abundante protección para evitar que el calor se escape, y se deteriore el material por sus altas temperaturas.


 * 3.8 PILAS DE COMBUSTIBLE MICROBIANAS**

Investigadores han descubierto crear electricidad a partir de las bacterias, especialmente de geobacterias. Microbios que producen corriente eléctrica a partir de barro o aguas residuales. Estas bacterias creadas por los científicos es capaz de generar ocho veces más de energía que cualquier pila anterior. Los filamentos de las geobacterias, han sido llamados nanocables ya que desempeñan el papel de mover electrones. Justo estos filamentos son lo útil de las bacterias y lo que les permite producir electricidad a partir de residuos. Lo que hacen es colocar colonias de geobacterias sobre un electrodo de grafito, y alimentan a las bacterias con acetato. Estas crean esa película pegajosa en la que los electrones pueden transferirse a través de los nanocables. Estas células de combustible consisten en un electrodo llamado ánodo, que acepta electrones de los microorganismos, y otro electrodo llamado cátodo, que transfiere electrones al oxígeno. Los electrones fluyen entre el ánodo y el cátodo para proveer corriente eléctrica que puede ser cosechada para alimentar a cualquier dispositivo electrónico.

=4. APLICACIONES=

En la actualidad, se contempla la utilización de las pilas de combustible como fuentes de energía en aplicaciones móviles en el sector de la automoción; en aplicaciones estacionarias en lugares remotos y núcleos urbanos, para el suministro de electricidad y/o agua caliente y calefacción; y como fuente de alimentación en equipos portátiles, tales como cargadores de teléfonos móviles, cámaras de vídeo, ordenadores...


 * 4.1 APLICACIONES ESTACIONARIAS**

Las pilas de combustible de potencia inferior a 1 kW son muy atractivas para el suministro de potencia a equipos que operan en lugares remotos o aislados, en zonas rurales o montañosas; aquellas con un tendido eléctrico bastante inviable. En estos escenarios se requieren fuentes de alimentación fiables y con tiempos de operación largos, a fin de minimizar los costes de mantenimiento y/o sustitución de dichas fuentes. La alta densidad de potencia o potencia específica permite tiempos de operación más largos que los de las baterías convencionales.

Un ejemplo son los equipos de telecomunicación situados en lugares remotos de difícil acceso (estaciones de radio, televisión y teléfono). En lugares soleados, donde la radiación solar es intensa durante la mayor parte del año, estos equipos funcionan alimentados por sistemas fotovoltaicos convencionales. Dado que los equipos de telecomunicación requieren fuentes de alimentación que aseguren un nivel de potencia y es imposible predecir la evolución de la radiación solar, para aumentar la disponibilidad del sistema hay que sobredimensionar los paneles solares y las baterías, lo que contribuye a aumentar el tamaño y elevar el coste de estos sistemas.

En la actualidad, existen proyectos de demostración que utilizan sistemas híbridos constituidos por paneles solares, baterías y pilas de combustible para la alimentación de equipos de telecomunicación.

El sistema incluye también un electrolizador. Así, el exceso de energía generada por el panel solar durante el verano se aprovecha en el electrolizador para producir hidrógeno, el cual se almacena en un tanque con hidruros metálicos.

La pila de combustible opera en los períodos de baja radiación solar, además de aumentar la disponibilidad del sistema y permitir la reducción de tamaño y coste del panel solar y de la batería (y también los costes de mantenimiento).

En cuanto a las pilas de combustible de potencia entre 1 y 10 kW: están pensadas fundamentalmente para aplicaciones residenciales en zonas rurales y urbanas. En general, se utilizan en modo de cogeneración, para la producción de electricidad y/o agua caliente, y calefacción. La mayoría de os sistemas de uso en aplicaciones residenciales utilizan pilas de combustible de baja temperatura, principalmente pilas de combustible poliméricas (PEMFC).

En España ya existe el primer procesador que transforma de forma eficiente el bioetanol en hidrógeno con las características adecuadas para alimentar una pila de combustible polimérica, que son las que requieren un mayor nivel de pureza. Este procesador, que produce hidrógeno capaz de alimentar una pila de combustible de 10 kW de potencia, fue desarrollado en el año 2004 por el Instituto de Catálisis y Petroleoquímica (CSIC), en colaboración con [|Greencell] (Abengoa Bionergía), y se encuentra en operación en sus instalaciones. El interés de su aplicación es grande, no sólo para el desarrollo de sistemas de generación de energía distribuida mediante su integración con pilas de combustible, sino también para la producción de hidrógeno en estaciones de servicio que puedan dar suministro a vehículos eléctricos con pila de combustible.


 * 4.2 APLICACIONES MÓVILES**

Por lo que respecta a las aplicaciones móviles, a partir de los años 80, el desarrollo de pilas de combustible para la propulsión de vehículos ligeros y pesados ha ido en continuo aumento, a partir de la necesidad urgente de automóviles, camiones y autobuses más eficientes y limpios, capaces de operar con combustibles tradicionales (gasolina, diesel) y con combustibles alternativos (hidrógeno, bioetanol, gas natural y otros hidrocarburos).

Con hidrógeno, la emisión a la atmósfera es nula. Con cualquier otro combustible, es necesario disponer de un sistema de conversión del combustible primario a hidrógeno.

En este proceso se genera dióxido de carbono, si bien las emisiones que resultan de la transformación del combustible son mucho menores que las de los motores de combustión interna convencionales. Por tanto, los vehículos que utilizan pilas de combustible ofrecen las ventajas de los motores eléctricos, y la ausencia de partes móviles hace que estos vehículos sean menos ruidosos y que los costes de mantenimiento sean menores que los de los vehículos actuales.

Proyectos de demostración, como el proyecto europeo [|CUTE], entre otros, han permitido un gran avance del desarrollo de esta nueva tecnología, además de su acercamiento al ciudadano, que ha tenido acceso a los nuevos autobuses que han circulado en líneas regulares de la ciudad.

Otro tipo de aplicaciones móviles con gran potencial es la de vehículos especiales, como sillas de ruedas o transportadores eléctricos, en los que las pilas de combustible proporcionan gran autonomía, entre otras ventajas. Una de las empresas pionera en el desarrollo de estas aplicaciones es Besel, que tras el desarrollo de su primer prototipo, está trabajando ahora en una versión comercializable de una silla de ruedas que operará de modo seguro y eficiente.

__Video demostración Proyecto CUTE en Barcelona__

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 * 4.3 INICIATIVAS ESPAÑOLAS**

En España se viene trabajando en pilas de combustible desde los años 80, bajo el impulso de unos pocos grupos de investigación (Instituto de Cerámica y Vidrio ([|CSIC]), Instituto de Catálisis y Petroleoquímica (CSIC)), y de algunas empresas (Tecnología del Grupo INI, Iberdrola, Endesa), que apostaron por el desarrollo de una tecnología de futuro.

El interés fue en aumento en años sucesivos, con la incorporación de nuevos grupos de investigación y empresas, mediante la participación en proyectos europeos y una tímida financiación de fuentes nacionales.

La creación en el año 1999 del Comité Técnico de Normalización de Pilas de Combustible (TC105), y en el año 2002 de la Asociación Española de Pilas de Combustible -APPICE (www.appice.es), y la participación activa de algunos miembros destacados en planes estratégicos de la Comisión Europea, ha sido el detonante de un interés desbordante y una actividad creciente en nuestro país por el desarrollo de la tecnología de pilas de combustible.

La reciente creación de la Plataforma Tecnológica Española de Hidrógeno y Pilas de Combustible, tras la creación de la plataforma europea, ha sido una prueba de ello.

__- Desde 1839__

La pila de combustible, una tecnología que nació nada más y nada menos que en 1839 y que sigue denominándose “tecnología de futuro”, puede pasar a considerarse en muy poco tiempo una tecnología madura, la cual dependerá del desarrollo científico-tecnológico que tiene por delante retos de mejora de componentes e integración de sistemas.

Su utilización a gran escala dependerá de la reducción de costes, para hacer de ella una tecnología competitiva; aunque no cabe duda de que, la limitada escasez de recursos petrolíferos, y el alarmante cambio climático al que nos ha llevado su utilización masiva, serán algunos de los puntos fuertes para su implementación.


 * 4.4 OTRAS APLICACIONES FUTURAS**

Hojas y energías limpias:

Una de las fuentes energéticas más prometedoras es el hidrógeno (limpia y con un origen ubicuo, barato y casi eterno: el agua). De ahí la excitación por las posibilidades para viajes en elsistema solar de encontrar agua fuera nuestro planeta. Pues bien, en este planeta, hay un grupo de seres que consiguen obtener hidrógeno del agua en cantidades ingentes: las plantas. Las hojas de las plantas han evolucionado durante millones de años para capturar la energía solar de una forma altamente eficiente. El oxígeno liberado y los azúcares producidos a partir de la energía solar son el sustrato de la mayor parte de la vida en este planeta, incluido por supuesto la nuestra. Un grupo de la Universidad Jiao Tong de Shanghai ha decidido aprovechar la estructura tisular de las plantas para producir minifactorías de hidrógeno. El investigador principal Tongxiang Fan ha dicho que “usar la luz solar para romper moléculas de agua y producir combustible de hidrógeno es una de las tácticas más prometedores para abandonar nuestra dependencia de los hidrocarburos”. Hasta ahora, lo que se intentaba era copiar el sistema molecular de la fotosíntesis, modificando o imitando las moléculas que hacen la fijación de CO2 y la hidrólisis. Ahora se intenta aprovechar la citoarquitectura de la hoja (estructura y organización de sus células y tejidos). La hoja es un órgano con una compleja estructura tridimensional, pensada para pesar poco, maximizar la superficie útil y aprovechar al máximo la luz incidente.

Han utilizado las hojas como molde espacial de estructuras catalíticas artificiales, del siguiente modo:



-Trató las hojas con ácido clorhídrico diluido. Esto reemplaza el magnesio de la clorofila por hidrógeno. -Pasó las hojas por tricloruro de titanio, que reemplaza ese hidrógeno con titanio. Secó las hojas y las calentó a 500 ºC para eliminar la materia orgánica. -Lo que este proceso consigue es formar una matriz de dióxido de titanio con la arquitectura foliar. El dióxido de titanio se usa en las placas solares y en la hoja artificial cataliza la ruptura de las moléculas de agua, obteniendo hidrógeno y oxígeno.

Entre las características estructurales que se mantienen son la disposición “celular” en forma de lente de la epidermis foliar, la superficie de la hoja, que captura luz proveniente de cualquier ángulo y la estructura de venas que ayuda a guiar la luz hacia el interior de la hoja, aprovechando al máximo su volumen. Las réplicas también mantienen detalles subcelulares, como son los tilacoides, sacos donde tiene lugar la fotosíntesis, con un espesor de 10 nm y una extensa distribución dentro de los cloroplastos.

Esto incrementa enormemente la superficie de acción de los catalizadores de titanio. La publicación de Fan en la revista Advanced Materials indica que las “estructuras foliares artificiales”, comparadas con una preparación comercial de dióxido de titanio usada hasta ahora (p25) absorben más del doble de luz y producen más del triple de hidrógeno. Y es que la Biología es una maravilla.

=5. IMPACTO AMBIENTAL=


 * 5.1 IMPACTO MEDIO AMBIENTAL DE LOS COMBUSTIBLES FÓSILES. NECESIDAD DE CAMBIO DE MODELO ENERGÉTICO.**

Los combustibles fósiles son causantes de la degradación del medio ambiente debido a que el uso de estos genera gases contaminantes (dióxido de carbono, óxidos de nitrógeno, óxidos de azufre y otras partículas) los cuales son causantes de multitud de problemasmedioambientales. Estos problemas son: el efecto invernadero, derretimiento de los polos, la extinción de varias especies, la desertización de territorios, la muerte de los corales marinos, el aumento de (causante del derretimiento de inundaciones, etc), el aumento de enfermedades cardiovasculares y respiratorias y la lluvia ácida entre muchos otros. Además, para extraer los combustibles fósiles hay que realizar perforaciones, transportarlo y refinarlo, lo que contamina los lugares de extracción y tiene el riesgo de que se viertan en el océano causando graves catástrofes ecológicas.

Por todo esto, se ve la necesidad de cambiar el modelo energético actual para evitar todos estos problemas. Una de las grandes alternativas a los combustibles fósiles son las pilas de combustible ya que estas son mucho más respetuosas con el medio ambiente.


 * 5.2 IMPACTO AMBIENTAL DE LOS DISTINTOS TIPOS DE COMBUSTIBLES DE LAS PILAS.**

El impacto de las pilas de combustible depende del combustible que usen:

__Pilas de combustible alimentadas por hidrógeno__. Las pilas de hidrógeno no producen contaminantes ya que obtienen la energía a partir de la reacción entre el oxígeno y el hidrógeno produciendo agua, calor y electricidad.

El problema es que el hidrógeno no se encuentra libre en la superficie terrestre, la principal forma de obtención es a partir del agua (la cual se encuentra extendida por toda la tierra y es muy fácil de obtener) mediante la electrolisis, pero para ello hay que aplicar corriente eléctrica al agua. Por tanto, para que el uso de las pilas de combustible no emita gases dañinos para el medioambiente, hay que utilizar energías renovables que no produzcan estos gases como la energía solar, la energía eólica o la energía hidráulica.

__Pilas de combustible alimentadas por metanol__. Las pilas de metanol producen bastantes menos contaminantes que los combustibles fósiles, ya que solo desprenden agua y dióxido de carbono. Esto es una desventaja en comparación con las de hidrógeno, ya que estas solo desprenden agua.

El metanol se puede extraer de diversas formas, en las que destacan dos: - Extraer el C02 de la atmósfera y licuarlo para producir metanol, en este caso no se produce más CO2 del que se emite. Por tanto, no empeoraría el efecto invernadero. - La otra de ellas es a partir de la gasificación de la biomasa, pero esto genera aparte de metanol otros residuos perjudiciales para el medioambiente, aunque no tantos como los combustibles fósiles. Un problema de esto, es que en muchos países están deforestando las selvas para sembrar cultivos para producir biomasa.

__Pilas de combustible microbianas.__ Existen un tipo de pilas de combustible llamadas microbianas, consiste en unas bacterias que obtienen energía a partir de los residuos de las aguas residuales. Esto tiene multitud de ventajas ya que se crea energía a través de un combustible que está en todas las ciudades y que es completamente gratuito y no hay que generar energía para obtenerlo, por tanto no tiene ningún impacto negativo. Además, limpian las aguas residuales de compuestos orgánicos con la ventaja de no verter estos en los ríos o en los mares, los cuales afectan a muchas especies al estar en cantidades altas.


 * 5.3 IMPACTO MEDIOAMBIENTAL EN LOS MATERIALES.**

Otra cosa a tener en cuenta, es el impacto negativo de los materiales que forman parte de la pila, en especial los metales. Un ejemplo es el platino, el cual es un elemento muy escaso y que una gran parte de su extracción se produce en zonas de gran interés medioambiental como en selvas de África y Sudamérica, lo que provoca la tala de árboles y el vertido de residuos en estos lugares. Para reducir este impacto, se está investigando el uso de catalizadores que no tengan platino ni otros metales. Aparte, se debería de promover más el reciclado de las pilas de combustible e investigar sobre la mejora de este disminuir en gran parte la obtención de estos materiales de la naturaleza.

=6. VENTAJAS E INCOVENIENTES=

Aunque a priori, las pilas de combustible parezcan una alternativa muy atractiva debido a sus múltiples ventajas, también tienen sus contras.


 * 6.1 VENTAJAS**

- __Emisión cero contaminantes__: Cuando pensamos en la pila de combustible, la primera ventaja que nos viene a la mente es la reducción de la contaminación. Al ser el combustible hidrógeno, los productos obtenidos en la reacción electroquímica catalizada de la pila de combustible entre el hidrógeno y el oxígeno son agua, calor y electricidad, en lugar de dióxido de carbono, óxidos de nitrógeno, óxidos de azufre y otras partículas producidas en la combustión de combustibles fósiles, como el petróleo o el carbón. Para conseguir hidrógeno puro, los combustibles fósiles tienen que pasar primero unos procesos para extraerlo. En este proceso las emisiones de CO2 y otros contaminantes, son únicamente una fracción de los que se producen durante la combustión de la misma cantidad de combustible.

- __Alta eficiencia en el uso del combustible__ El hecho de la conversión directa del combustible a energía a través de una reacción electroquímica, hace que las pilas de combustible puedan producir más energía con la misma cantidad de combustible si lo comparamos con una combustión tradicional. La pila de combustible al no ser una maquina térmica, no tiene perdidas de energía en fricción, escapes en forma de calor etc, lo cual permite alcanzar un rendimiento teórico del 100%, pero esto no es posible nunca debido a los materiales usados en su creación, o en el aprovechamiento de la energía generada, pero aun así, llega a tener unos porcentajes de aprovechamiento muy altos, empezando desde el 30% y llegando hasta el 90%.El hecho de poder utilizar también el calor desprendido de la reacción, ayuda a llegar a tan elevadas eficiencias energéticas.

- __Funcionamiento a bajas temperaturas__ Las pilas de combustible, en función del tipo, pueden operar desde los 70 ºC, hasta los 1000 ºC, a pesar de que estas temperaturas puedan parecer muy elevadas, hay que tener en cuenta, que la temperatura en un vehículo convencional hoy día, suele ser de unos 2300 ºC.

- __Independencia de la red eléctrica__ Otra ventaja de las pilas de combustible, usadas a nivel domestico, como en el hogar, es que mediante un sistema de celdas de combustible residencial, conseguiríamos independencia de la red eléctrica, la cual puede tener fallos, como un corte de la corriente, que puede producir graves daños a algunos sistemas informáticos u otros equipos.

- __Ventajas frente a las baterías tradicionales__ Las celdas de combustible proporcionan una reducción del peso y del tamaño para la misma cantidad de energía disponible respecto a las baterías tradicionales. Para aumentar la producción de energía de una pila de combustible, solo hay que proporcionarle más combustible, mientras que para aumentar la producción energética de una batería, hay que colocar baterías adicionales, lo cual ocuparía mayor espacio, y aumentaría el peso. La pila de combustible siempre no deja nunca de funcionar mientras haya combustible, mientras que la batería cada vez que se agota, necesita un proceso largo de reposición de la energía eléctrica.

- __Simplicidad de la pila de combustible__ Las pilas de combustible no tienen partes móviles, esto, permite un diseño más simple, una mayor fiabilidad y operatividad y un sistema que es menos propenso a estropearse. Aparte las pilas de combustibles son silenciosas, y esto permite usarlas en entornos urbanos.


 * 6.2 INCONVENIENTES**

- __Producción del Hidrógeno__ La producción del hidrogeno resulta un proceso costoso, debido a que este no se encuentra en la naturaleza como materia prima, sino que tenemos que extraerlo de otras materias primas, y esto resulta un proceso costoso, y con unos costes muy elevados en algunos casos. Además, el proceso de licuar el hidrógeno, es una tarea con un elevado gasto energético.

- __Almacenamiento del hidrógeno__ Almacenar el hidrogeno, no es una tarea barata y fácil, los sistemas de almacenamiento y distribución del hidrogeno, generan varias dificultades y numerosos gastos.

- __Coste elevado en su producción__ Al no producirse aun a gran escala, esto provoca altos costes en la producción de las pilas de combustible, y algunos elementos de la pila, como el platino, son realmente caros. Se estima que la producción de un coche con pila de combustible, resulta alrededor de un 30% más caro que un coche actual de prestaciones similares. Esto vi3ene provocado, por ser una tecnología aun en pleno desarrollo, y tener muy baja demanda.

"A pesar de que hay menos inconvenientes que ventajas, estos tienen gran peso, y de momento, impiden que la pila de combustible pueda establecerse como una realidad en la vida cotidiana. Sin embargo, las pilas de combustible resultan una gran alternativa a los combustibles fósiles a largo plazo, y se espera, que con el paso del tiempo, los inconvenientes vayan desapareciendo y los elevados costes de las pilas disminuyendo."

=7. BIBLIOGRAFIA=


 * 1. DEFINICIÓN E HISTORIA**

http://www.cervantesvirtual.com/servlet/SirveObras/12920525327810495654435/p0000001.htm#I_4_ http://corrosion-doctors.org/FuelCell/History.htm http://alternativefuels.about.com/od/researchdevelopment/a/fuelcellwhatis.htm http://es.wikipedia.org/wiki/Pila_de_combustible http://www.cienciateca.com/fuelcells.html


 * 2. MECÁNICA Y FUNCIONAMIENTO**

http://www.tecnociencia.es/especiales/hidrogeno/descripcion.htm http://www.madrimasd.org/blogs/energiasalternativas/2010/04/30/130832 http://es.wikipedia.org/wiki/Pila_de_combustible http://bibing.us.es/proyectos/abreproy/3977/fichero/Cap%EDtulo+3.pdf http://e-archivo.uc3m.es/bitstream/10016/6055/1/PFC_Antonio_Mayandia_V2.pdf


 * 3. TIPOS DE PILAS**

http://www.ahorausa.com/CyT040804MicrobiosEnergia.htm http://www.ahorausa.com/CyT040804MicrobiosEnergia.htm Fuel cells. Energy Efficiency and Renewable Energy. U.S. Department Energy http://www.tecnociencia.es/especiales/hidrogeno/descripcion.htm


 * 4. APLICACIONES**

http://jralonso.es/2010/02/18/hojas-y-energia-limpia/ es&u=http://www.fuelcells.org/basics/apps.html