Pilas de combustible

Una pila de combustible utiliza la energía química del hidrógeno u otro combustible para producir electricidad de forma limpia y eficiente. Si el hidrógeno es el combustible, la electricidad, el agua y el calor son los únicos productos. Las pilas de combustible son únicas en cuanto a la variedad de sus aplicaciones potenciales; pueden proporcionar energía a sistemas tan grandes como una central eléctrica de servicios públicos y tan pequeños como un ordenador portátil.

Por qué estudiar las pilas de combustible

Las pilas de combustible pueden utilizarse en una amplia gama de aplicaciones, incluyendo el transporte, la manipulación de materiales, aplicaciones estacionarias, portátiles y de energía de reserva de emergencia. Las pilas de combustible presentan varias ventajas con respecto a las tecnologías convencionales basadas en la combustión que se utilizan actualmente en muchas centrales eléctricas y vehículos de pasajeros. Las pilas de combustible pueden funcionar con mayor eficiencia que los motores de combustión y pueden convertir la energía química del combustible en energía eléctrica con una eficiencia de hasta el 60%. Las pilas de combustible tienen menos emisiones que los motores de combustión. Las pilas de combustible de hidrógeno sólo emiten agua, por lo que no hay emisiones de dióxido de carbono ni contaminantes atmosféricos que creen smog y causen problemas de salud en el punto de funcionamiento. Además, las pilas de combustible son silenciosas durante su funcionamiento ya que tienen menos piezas móviles.

Cómo funcionan las pilas de combustible

Las pilas de combustible funcionan como las baterías, pero no se agotan ni necesitan recargarse. Producen electricidad y calor siempre que se les suministre combustible. Una pila de combustible está formada por dos electrodos -un electrodo negativo (o ánodo) y un electrodo positivo (o cátodo)- que rodean un electrolito. El ánodo recibe un combustible, como el hidrógeno, y el cátodo, aire. En una pila de combustible de hidrógeno, un catalizador situado en el ánodo separa las moléculas de hidrógeno en protones y electrones, que toman caminos diferentes hacia el cátodo. Los electrones pasan por un circuito externo, creando un flujo de electricidad. Los protones migran a través del electrolito hasta el cátodo, donde se unen con el oxígeno y los electrones para producir agua y calor. Obtenga más información sobre:

• Partes de una pila de combustible
• Sistemas de pilas de combustible
• Tipos de pilas de combustible.

Vea la animación de pilas de combustible de la Oficina de Tecnologías de Pilas de Combustible para ver cómo funciona una pila de combustible.

Objetivos de investigación y desarrollo

El Departamento de Energía de Estados Unidos (DOE) está trabajando estrechamente con sus laboratorios nacionales, universidades y socios de la industria para superar las barreras técnicas críticas para el desarrollo de las pilas de combustible. El coste, el rendimiento y la durabilidad siguen siendo retos clave en la industria de las pilas de combustible. Vea los enlaces relacionados que proporcionan detalles sobre las actividades de pilas de combustible financiadas por el DOE.

• Coste-El platino representa uno de los mayores componentes de coste de una pila de combustible, por lo que gran parte del I+D se centra en enfoques que aumentarán la actividad y la utilización de los catalizadores actuales de metales del grupo del platino (PGM) y de aleaciones PGM, así como en enfoques de catalizadores no PGM para aplicaciones a largo plazo.
• Rendimiento-Para mejorar el rendimiento de las pilas de combustible, el R&D se centra en el desarrollo de electrolitos de membrana de intercambio iónico con mayor eficiencia y durabilidad a un coste reducido; la mejora de los conjuntos de electrodos de membrana (MEA) mediante la integración de componentes MEA de última generación; el desarrollo de modelos de transporte y experimentos in situ y ex situ para proporcionar datos para la validación de los modelos; la identificación de los mecanismos de degradación y el desarrollo de enfoques para mitigar sus efectos; y el mantenimiento de las actividades principales en los componentes, subsistemas y sistemas adaptados específicamente a las aplicaciones de energía estacionarias y portátiles.
• Durabilidad-Un factor de rendimiento clave es la durabilidad, en términos de una vida útil del sistema de pilas de combustible que cumpla con las expectativas de la aplicación. Los objetivos de durabilidad del DOE para las pilas de combustible estacionarias y de transporte son de 40.000 horas y 5.000 horas, respectivamente, en condiciones de funcionamiento realistas. En las aplicaciones más exigentes, las condiciones de funcionamiento realistas incluyen impurezas en el combustible y el aire, arranques y paradas, congelación y descongelación, y ciclos de humedad y carga que provocan tensiones en la estabilidad química y mecánica de los materiales y componentes del sistema de pila de combustible. R&D se centra en la comprensión de los mecanismos de degradación de las pilas de combustible y en el desarrollo de materiales y estrategias que los mitiguen.
• Sistemas de pilas de combustible para aplicaciones estacionarias (de energía combinada).
  

  Objetivos técnicos

  Descargue la sección de Pilas de Combustible del Plan Plurianual de Investigación, Desarrollo y Demostración de la Oficina de Tecnologías de Pilas de Combustible para obtener todos los detalles sobre los objetivos técnicos, o vea las tablas de objetivos individuales para:

  • Sistemas de pilas de combustible, stacks, y componentes para aplicaciones deaplicaciones de transporte ligero
    • Sistemas y pilas de pilas de combustible
    • Componentes de pilas de combustible de membrana de electrolito de polímero
    • Sistemas de humidificación de pilas de combustible y sistemas de compresión de aire
  • Autobuses de tránsito de pilas de combustible autobuses de tránsito de pila de combustible
  • Sistemas de energía de reserva de pila de combustible
  • Sistemas de pila de combustible para aplicaciones estacionarias (calor y energía combinados)
  • Sistemas de pila de combustible para aplicaciones de energía portátil y energía auxiliar.