Introducción a las aplicaciones de pilas de combustible
Las pilas de combustible han sido investigadas y desarrolladas para su uso en diversas aplicaciones desde principios de los años 1990. Las pilas de combustible se pueden utilizar para aplicaciones de energía portátiles, de respaldo, de transporte y estacionarias. Este artículo describe brevemente algunos de estos usos de las pilas de combustible.
1.0 Energía portátil
Las celdas de combustible portátiles son fuentes de energía portátiles, livianas y duraderas que prolongan la cantidad de tiempo que un dispositivo puede usarse sin recargarse. En comparación, las baterías secundarias (recargables) tienen sistemas de carga de baterías que consisten en cargadores de CA que requieren un tomacorriente para cargarse o cargadores de CC que recargarán sus baterías con otras baterías. Las baterías recargables no son prácticas para determinadas aplicaciones electrónicas portátiles y militares porque pueden ser pesadas y no cumplir con los requisitos de energía. Algunas aplicaciones de pilas de combustible portátiles incluyen ordenadores portátiles, teléfonos móviles, herramientas eléctricas, equipos militares, cargadores de baterías, sensores desatendidos y vehículos aéreos y submarinos no tripulados.
Una diferencia notable entre las baterías recargables y las pilas de combustible es que una pila de combustible necesita un suministro continuo de combustible. Algunos tipos de combustible que se han utilizado con pilas de combustible incluyen hidruros metálicos, metanol, ácido fórmico, etanol y, por supuesto, hidrógeno. Para las pilas de combustible portátiles, se puede suministrar metanol y etanol a la pila de combustible como combustible o también se puede conectar un reformador de combustible al paquete de la pila de combustible.
1.1 Energía de respaldo
Los sistemas de energía de respaldo proporcionan energía cuando se interrumpe la fuente de energía principal. Las pilas de combustible utilizadas como energía de respaldo vienen en muchos tamaños y tipos y normalmente utilizan hidrógeno como combustible. Las pilas de combustible de respaldo pueden comercializarse más rápidamente que otras pilas de combustible porque no dependen de la implementación de una infraestructura de hidrógeno. Algunas aplicaciones de energía de respaldo incluyen sistemas informáticos, instalaciones de fabricación, hogares y subestaciones de servicios públicos.
La pila de combustible PEM con combustible de hidrógeno comprimido es el tipo de pila de combustible más popular utilizado para aplicaciones de energía de respaldo. Hay muchas opciones de combustible disponibles, como hidrógeno comprimido, hidrógeno líquido, propano, gas natural y muchos otros tipos de combustible. Un sistema electrolizador es una buena opción para aplicaciones de energía de respaldo porque puede producir hidrógeno según demanda. El electrolizador se puede utilizar con electricidad generada por paneles solares, una fuente eólica, una fuente nuclear o electricidad generada por la compañía eléctrica local.
1.2 Aplicaciones de transporte
Las pilas de combustible se pueden utilizar para muchas aplicaciones de transporte, incluidos automóviles, autobuses, vehículos utilitarios, scooters y bicicletas. Se han creado muchos vehículos de demostración de pilas de combustible para cada uno de estos tipos de vehículos.
1.2.1 Automóviles
La mayoría de los fabricantes de automóviles llevan desarrollando vehículos de pila de combustible al menos durante un par de décadas. Los fabricantes de automóviles están interesados en la tecnología de pilas de combustible porque es una tecnología de «próxima generación» que podría reproducir combustible a partir de fuentes locales y producir emisiones bajas o nulas. Los vehículos de pila de combustible suelen utilizar hidrógeno comprimido como tipo de combustible, aunque varios fabricantes también han demostrado un vehículo de pila de combustible con metanol. Las pilas de combustible para automóviles pueden tener uno o más de los siguientes:
• Una pila de combustible se puede utilizar sólo para el arranque o para proporcionar toda la energía a un vehículo.
• Una pila de combustible suministra una cantidad constante de energía, por lo que para la aceleración del vehículo y otras necesidades de mayor potencia, se conectan dispositivos adicionales a la pila de combustible.
• Se puede utilizar una pila de combustible como fuente de energía secundaria.
La temperatura de funcionamiento de una pila de combustible de automóvil oscila entre 60 y 80 ºC debido a la utilización de una membrana polimérica, que limita la temperatura por debajo de 100 ºC.
1.2.2 Buses
Los autobuses han demostrado con éxito el uso de pilas de combustible con fines de transporte en el mercado de vehículos comerciales. La diferencia entre autobuses y automóviles son los requisitos de energía, la disponibilidad de espacio, el régimen operativo y los sitios de repostaje. Los autobuses requieren más energía que los automóviles y se desgastan más debido a las constantes paradas y arranques. También se pueden almacenar fácilmente grandes cantidades de hidrógeno a bordo de los autobuses debido al área disponible del autobús.
Los autobuses de pila de combustible tienen una ventaja sobre los autobuses diésel porque tienen cero emisiones. Esto es fundamental en ciudades densamente pobladas y contaminadas. Muchos fabricantes de autobuses comenzaron a presentar sus primeros autobuses de pila de combustible a principios de los años 1990. Al igual que los automóviles de pila de combustible, el tipo de combustible más utilizado es el hidrógeno comprimido, aunque se han demostrado metanol y zinc. Los autobuses de pila de combustible han estado circulando en Columbia Británica, California, Ámsterdam, Barcelona, Hamburgo, Londres, Luxemburgo, Madrid, Oporto, Reykjavik, Estocolmo y Stuttgart.
• Una pila de combustible se puede utilizar sólo para el arranque o para proporcionar toda la energía a un vehículo.
• Una pila de combustible suministra una cantidad constante de energía, por lo que para la aceleración del vehículo y otras necesidades de mayor potencia, se conectan dispositivos adicionales a la pila de combustible.
• Se puede utilizar una pila de combustible como fuente de energía secundaria.
La temperatura de funcionamiento de una pila de combustible de automóvil oscila entre 60 y 80 ºC debido a la utilización de una membrana polimérica, que limita la temperatura por debajo de 100 ºC.
1.2.3 Vehículos utilitarios
Los vehículos utilitarios han sido uno de los primeros adaptadores exitosos de la tecnología de pilas de combustible porque la tecnología competidora para estos vehículos suele ser baterías de plomo-ácido que requieren mantenimiento y carga. Las demostraciones de vehículos utilitarios de pila de combustible muestran que ofrecen menores costos operativos, mantenimiento reducido, menor tiempo de inactividad y mayor autonomía. Los vehículos utilitarios propulsados por pilas de combustible también pueden funcionar en interiores porque no generan emisiones. Los vehículos utilitarios que pueden funcionar con pilas de combustible son carretillas elevadoras, carritos de golf, vehículos de mantenimiento de césped, vehículos de mudanzas para aeropuertos, sillas de ruedas, vehículos no tripulados, barcos, aviones pequeños, submarinos y pequeños vehículos militares. Los primeros vehículos utilitarios de pila de combustible se demostraron a principios de la década de 2000. Al igual que los automóviles de pila de combustible, el tipo de combustible más utilizado es el hidrógeno comprimido, aunque también se han demostrado metanol, hidruros metálicos y borohidruro de sodio. El tipo más común de pila de combustible utilizada es la pila de combustible de membrana de intercambio de protones (PEMFC), pero también se han utilizado pilas de combustible de metanol directo (DMFC) y pilas de combustible alcalinas (AFC).
1.2.4 Scooters y bicicletas
En países con grandes poblaciones, los scooters y las bicicletas son formas de transporte populares. Se han demostrado positivamente las pilas de combustible para estas aplicaciones con hidrógeno comprimido y metanol. El almacenamiento de hidrógeno sigue siendo un problema para estos vehículos; por ello, durante la última década se han investigado hidruros metálicos y electrolizadores.
Muchos fabricantes demostraron sus primeros scooters y bicicletas con pila de combustible a principios de la década de 2000, lo que es posterior a muchas de las demostraciones de automóviles y autobuses con pila de combustible. Al igual que los automóviles de pila de combustible, el tipo de combustible más utilizado es el hidrógeno comprimido, aunque también se han demostrado metanol, hidruros metálicos y zinc. El tipo más común de pila de combustible utilizado es la PEMFC, pero también se han utilizado DMFC y pilas de combustible de zinc-aire (ZAFC).
1.3 Aplicaciones de energía estacionaria
Las pilas de combustible para aplicaciones estacionarias se utilizan comercialmente desde hace más de veinte años. La principal diferencia entre estos sistemas de pilas de combustible es la elección de la pila de combustible y el combustible y el calentamiento y enfriamiento de las chimeneas. Las pilas de combustible estacionarias se pueden utilizar como fuente de energía primaria. A menudo se utiliza para alimentar casas que no están conectadas a la red o para proporcionar energía suplementaria.
En los sistemas de energía híbridos, las pilas de combustible se pueden conectar a sistemas fotovoltaicos, baterías, condensadores o turbinas eólicas, proporcionando energía primaria o secundaria. Las pilas de combustible también se pueden utilizar como generador de energía o respaldo, proporcionando energía cuando la red no funciona. Un sistema independiente puede requerir otra fuente de energía para los períodos pico. Pueden ser baterías y supercondensadores, o una combinación de ambos.
Muchos fabricantes comenzaron a hacer demostraciones de sus centrales eléctricas estacionarias en los años 90. A diferencia de otras aplicaciones de pilas de combustible, el tipo de combustible más utilizado es el gas natural. Otros tipos de combustible comunes son el propano, el hidrógeno comprimido, el biogás, el metanol, los combustibles a base de petróleo, el gas ciudad, el gas de síntesis, el gas de digestión y el gas de vertedero. El tipo de pila de combustible estacionaria más común es la pila de combustible de membrana de intercambio de protones (PEMFC), pero también las pilas de combustible de óxido sólido (SOFC), las pilas de combustible de carbonato fundido (MCFC), las pilas de combustible alcalinas (AFC) y las pilas de combustible de ácido fosfórico (PAFC). también se han utilizado. Estados Unidos, Alemania y Japón tienen el mayor número de centrales eléctricas de pilas de combustible estacionarias.
Muchos fabricantes demostraron sus primeros scooters y bicicletas con pila de combustible a principios de la década de 2000, lo que es posterior a muchas de las demostraciones de automóviles y autobuses con pila de combustible. Al igual que los automóviles de pila de combustible, el tipo de combustible más utilizado es el hidrógeno comprimido, aunque también se han demostrado metanol, hidruros metálicos y zinc. El tipo más común de pila de combustible utilizado es la PEMFC, pero también se han utilizado DMFC y pilas de combustible de zinc-aire (ZAFC).
Resumen
Se han demostrado celdas de combustible para aplicaciones de energía portátiles, de respaldo, automotrices o estacionarias, y hay algunas celdas de combustible disponibles comercialmente en estas categorías. Los DMFC y PEMFC se utilizan comúnmente para aplicaciones portátiles. La energía de respaldo a menudo utiliza celdas de combustible PEMFC con almacenamiento de hidrógeno comprimido. Las aplicaciones en automóviles pueden ser los tipos de pilas de combustible PEMFC y DMFC. Los autobuses de pila de combustible utilizan PAFC, PEMFC, DMFC y ZAFC. Los vehículos utilitarios, scooters y bicicletas utilizan principalmente PEMFC. Las aplicaciones de energía estacionarias utilizan SOFC, MCFC, AFC y PEMFC. El diseño de la celda de combustible, como la potencia de salida, el equilibrio térmico, la eficiencia, el tamaño, el peso y el suministro de combustible, puede ser ligeramente diferente para cada aplicación y debe personalizarse para adaptarse a la carga requerida.