AFC Pila de combustible alcalina Es una de las primeras pilas de combustible modernas, desarrollada a principio de los años 60. Como dato curioso, mencionar que son las pilas que proporcionaban energía a las naves del proyecto Apollo de la NASA, en la imagen superior, se puede observar a 3 miembros técnicos del proyecto brindando con el agua resultante de la pila de combustible, por cierto, la pila no solo generaba energía a la nave si no que la aprovisionaba de agua, que mezclada con unas sales minerales era potabilizada.

El principio de funcionamiento en las celdas de combustible es prácticamente el mismo, se trata de descomponer las moléculas de hidrógeno y oxígeno para posteriormente recombinarlas formando agua. En el proceso, se genera un flujo de electrones que es aprovechado para obtener la energía eléctrica, en el caso de la pila de combustible alcalina (Alcaline Fuel Cell)el electrolito es un álcali, uno de los electrolitos mas utilizados es el KOH (hidróxido de potasio también conocido como potasa cáustica), alojada en una matriz generalmente de amianto. Este tipo de celdas pueden alcanzar eficiencias de generación eléctrica de hasta un 70% debido a la velocidad a la que tienen lugar las reacciones que se producen en ella, tiene el inconveniente que los gases que se utilizan han de ser puros ya que el CO y CO2 que acompañan al hidrógeno tras su reformado al entrar en contacto con el electrolito, reacciona formando K2CO3 (carbonato), lo que produce el envenenamiento del electrolito, reduciendo la movilidad de los iones OH- que atraviesan el electrolito y por tanto, reduciendo el rendimiento. Otro problema de este tipo de pilas es que producen una gran intensidad de corriente con una diferencia de potencial muy baja, la solución suele ser la conexión en serie para aumentar la tensión. Debido al coste requerido para conseguir la pureza del combustible, las AFC son poco rentables, por lo que se utilizan principalmente en aplicaciones militares, aunque recientemente han sido empleadas en instalaciones estacionarias de baja potencia.

KOH (Hidróxido de potasio)

Pila de combustible Proyecto Apollo

La AFC opera en rangos de temperatura similares a los de la PEMFC, entre 150 y 200ºC, Para este tipo de celdas, se utiliza una concentración de KOH de entre el 25 y el 50% de KOH, el calor residual puede utilizarse como calefacción o para calentar agua, los catalizadores que se utilizan a estas bajas temperaturas han de estar compuestos por metales nobles tipo PT, en el caso del ánodo se suele utilizar platino o paladio y en el caso del cátodo oro o platino o bien carbono dopado con platino, aunque en estos últimos años algunos fabricantes de pilas de combustible alcalinas han utilizado materiales no metálicos. La presión de trabajo típica está entre 1 y 2 bares. Existen pilas AFC que operan a una temperatura alrededor de los 250ºC, permitiendo que el rango de electro catalizadores sea mayor pudiendo utilizarse níquel, plata, óxidos metálicos y por supuesto metales nobles. Referente al electrolito, la concentración de KOH ronda el 85%, al producirse una temperatura de estos niveles, el calor residual puede emplearse en sistemas de cogeneración. La reacción química es la siguiente:

El resultado de estas reacciones es que en el ánodo se forma agua. Proceso electroquímico en la celda alcalina: En el cátodo, gracias al catalizador, las moléculas de oxígeno en contacto con el H2O (agua con la que se compone la propia disolución de KOH del electrolito), el material catalizador y al aporte de 2 electrones procedentes del ánodo, forman el ión OH- que atraviesa el electrolito dirección al ánodo, donde al unirse con las moléculas de hidrógeno (proceso acelerado por la acción del catalizador), se forman moléculas de H2O desprendiéndose en la reacción 2 electrones que viajan por el circuito exterior hasta llegar al cátodo para repetir el proceso una y otra vez hasta consumir el Hidrógeno o el oxígeno.

Nota de interés: Pese a que el proceso de fabricación y los materiales empleados actualmente requiere un coste elevado, se esta investigando con el fin de reducir el coste de dichos materiales para comenzar la fabricación en serie. La mejora que se está realizando en las pilas de combustible alcalinas por parte del centro francés, CNRS (Centre National de la Recherche Scientifique) consiste en

sustituir el cátodo de la pila de combustible actual, por un cátodo de LiMnO2, que surge del depositado de Dióxido de Magnesio en Carbón negro y la posterior inserción del ión de Litio, proveniente de la disociación del electrolito alcalino LiOH, este componente se prevé que sustituya al actual electrolito alcalino actual KOH. Finalmente las mejoras afectarían a una mayor eficiencia termodinámica, una mayor estabilidad de la diferencia de potencial en los electrodos, mayor capacidad por superficie de electrodo y mayor tensión de servicio (pasando de 1V a 4,60V), reduciendo de este modo el número de celdas del stack para producir la potencia requerida.

Propuesta de pila alcalina con carbón activado: A continuación propongo la realización de una pila e combustible con carbón activado, para ello el carbón activado ha de ser un tipo de carbón conductor. Como electrolito se utilizría la disolución de KOH al 80%, lo que nos permitirá alcanzar temperaturas de catalización de 200º, mezclándose el carbón activado con limaduras de acero inoxidable de forma que en los poros de carbón existan una serie de pequeños catalizadores que aprovechen el hidrógeno y favoreca la reacción electroquímica. Este modelo de pila básicamente utiliza el mismo proceso electroquímico que la típica pila alcalina, variando en gran medida su construcción. Otra posibilidad radica en emplear una lámina de carbón activo en sustitución del carbón activo granulado. Antes de seguir con la explicación sobre el diseño de pila, hablemos sobre alguno de sus componentes.

Carbón activado término genérico que describe una familia de adsorbentes carbonáceos altamente cristalinos y una estructura poral interna extensivamente desarrollada. Existe una amplia variedad de productos de carbón activado que muestran diferentes características, dependiendo del material de partida y la técnica de activación usada en su producción. Es un material que se caracteriza por poseer una cantidad muy grande de micro poros (poros menores a 1nanometro de radio). A causa de su alta micro porosidad, un solo gramo de carbón activado puede poseer áreas superficiales de 500 m² aunque algunos tipos de carbones activados llegan a 2500 m²/g. A modo de comparación, una cancha de tenis tiene cerca de 260 m².

Carbón activo

Detalle porosidad del carbón activo

Bajo un microscopio electrónico, la estructura del carbón activado se muestra con una gran cantidad de recovecos y de grietas. A niveles más bajos se encuentran zonas donde hay pequeñas superficies planas tipo de grafito, separadas solamente por algunos nanómetros, formando microporos. Estos microporos proporcionan las condiciones para que tenga lugar el proceso de adsorción. La evaluación de la adsorción se hace generalmente mediante la adsorción nitrógeno gaseoso a 77 en condiciones de vacío. Radios porales La determinación de la distribución de los tamaños de los poros es una forma extremadamente útil de conocer el comportamiento del material. La IUPAC define la distribución de radios porales de la siguiente forma:   

Micro poros r < 1 nm Meso poros r ≈ 1-25 nm Macro poros r > 25 nm

Los macro poros son la vía de entrada al carbón activado, los meso poros realizan el transporte, y los micro poros la adsorción. Tamaño: Cuanto más fino es el tamaño de las partículas de un determinado carbón activado, mejor es el acceso al área superficial y más rápida es la tasa de cinética de adsorción. En sistemas de fase vapor, este factor se debe considerar junto con la caída de presión, que afecta directamente a los costos energéticos. Una elección cuidadosa del tamaño de las partículas puede proveer significativos beneficios operativos. Proceso del carbón activado El proceso del carbón activado se basa en producir un carbón a partir de materiales como cortezas de almendros, cáscara de coco, turba, petróleo, brea, polímeros, nogales, palmeras, y carbón mineral. Este proceso puede dividirse en dos tipos:

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Activación física (térmica). Se lleva a cabo en dos etapas; la carbonización, que elimina elementos como hidrógeno y oxígeno para dar lugar a una estructura porosa rudimentaria y la etapa de gasificación del carbonizado que se expone a una atmósfera oxidante que elimina los productos volátiles y átomos de carbono, aumentando el volumen de poros y la superficie especifica. El proceso se efectúa en distintos hornos a temperaturas cercanas a 1000ºC

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Activación química. El material se impregna con un agente químico que puede ser ácido fosfórico o hidróxido de potasio y se calienta en un horno a 500-700℃. Los agentes químicos reducen la formación de material volátil y alquitranes, aumentando el rendimiento del carbón. El resultante es lavado para la eliminación de ácido.

El tipo de material con el que se produce el carbón activado afecta el tamaño de los poros y las características de regeneración del carbón activado. Los dos tipos de clasificación son: carbón activado en polvo, con diámetro menor o igual a 0.25mm y el carbón granular, con diámetro superior a los 0.25mm.

Aplicaciones Uso médico El carbón activado es utilizado como agente adsorbente para tratar envenenamientos y sobredosis por ingestión oral. Previene la absorción del veneno en el estómago. Tiene nombres comerciales como InstaChar, SuperChar, Actidose y Liqui-Socarra, pero por lo general se le llama simplemente carbón activado.

Filtros para aire, gas comprimido y purificar el agua Los filtros con carbón activado se utilizan generalmente en la purificación de aire, agua y gases, para quitar vapores de aceite, sabores, olores y otros hidrocarburos del aire y de gases comprimidos. Los diseños más comunes utilizan filtros de una o de dos etapas, donde el carbón activado se introduce como medio filtrante. También tiene uso para purificación del agua de lluvias en zonas donde esta es usada para usos domésticos.

Usos ambientales Las propiedades de adsorción del carbón activado son muy útiles en la eliminación de contaminantes del aire como de flujos de agua implicados en procesos industriales:     

Limpieza de vertidos Recuperación de aguas superficiales Tretamiento de agua potable Purificación del aire Recogida de compuestos volátiles procedentes de procesos industriales como pintura, limpieza en seco, repostaje de combustible...

Propiedades Existen filtros de carbón activado a los que se les agrega plata para que no se desarrollen bacterias en él. Los filtros con partículas más pequeñas de carbón activado tienen generalmente una mejor tasa de absorción. Por otro lado, la acidez y temperatura del agua a filtrar influyen en el desempeño del filtro de carbón activado. A mayor acidez y menor temperatura del agua, el desempeño de los filtros de carbón activado mejora. El asbesto no puede ser eliminado del agua a través de un filtro de carbón activado. El tamaño del poro del carbón activado y el tamaño de las partículas a filtrar también influyen en la vida y capacidad de filtración del filtro de carbón activado. Por lo que la única forma de saber si un filtro de carbón activado ha dejado de funcionar es hacer un análisis del agua resultante del filtro, pues ni el sabor u olor pueden ser un referente certero. Una vez que se ha saturado un filtro de carbón activado, el agua que pase por él, resultará más contaminada que si no se filtrara.

El tipo de carbón propuesto para la realización de la pila es el siguiente: Proveedor (China): Jianlong Zhu (Shenzhen Lvchuang Environmental Equipment Co., Ltd.) Tipo: LC-AC Descripción del producto: Carbón activado para el tratamiento de aguas residuales A) Características 1)Diámetro del micro poro 10-40A 2) Contiene grupos funcionales orgánicos amplios, con características excelentes en adsorción y oxidación y reducción en fase líquida y caseosa. 3) Características excelentes de la desorción y de la regeneración. 4) Alta resistencia ácida y resistencia del ácali. 5) Soporta una gran carga de temperaturas. 6) Buena conducción eléctrica.

Usos: 1) Se utiliza para la purificación de aire, fijando O3, SO2 y NO2 por adsorción además de hedores y humos.

2) Tratamientos de aguas residuales, de uso doméstico médico e industrial, eliminando desde bacterias hasta metales.

Rollo de carbón activo

Electrodos formados por malla de acero inoxidable: Por ejemplo, las fabricadas en ORION PLANET,SL (Barcelona) http://www.orionplanet.com. Para realizar el primer montaje utilizaría la malla "LIBRA 1500" ya que una de sus características es que es de acero inoxidable, con una superficie de acero del 95% estructurada de manera que permite el paso de gas a través del 5%, que permite la reacción electroquímica sobre toda la superficie del electrodo.

Imagen ampliada de la malla libra 1500

El nuevo modelo de pila propuesto, es el siguiente:

Como se puede observar en el gráfico los elementos de izquierda a derecha son: placa bipolar difusora de gas, construida con grafito con un diseño fractal para repartir más eficientemente el gas.

Diseño de placa bipolar con canalización tipo fractal

El gas que se inserta en el ánodo es hidrógeno, siempre controlando que haya la misma presión de hidrógeno que de oxígeno para evitar que se mezcle en el interior de la pila, aunque este problema se puede resolver insertando membranas de teflón entre el gas y las láminas de acero, tanto en el ánodo como en el cátodo.

La siguiente capa es el electrodo positivo, éste se disocia de una malla de acero inoxidable cuya función es ejercer de catalizador del hidrógeno. La siguiente capa es una tela de carbón activo aun que es posible que sea mejor sustituir la tela de carbón activo por una mezcla de limaduras de acero inoxidable y carbón activo granulado, en ambos casos tratados de manera que sean conductores eléctricos, a modo de esponja que gracias a los efectos de capilaridad y tensión superficial mantendrá el KOH en contacto con la malla de acero impidiendo que fluya el electrolito al exterior de la misma y haciendo contacto con la malla. Recordemos que en el experimento de Grove, no se obtenía la reacción electroquímica en toda la superficie de platino, si no que se producía tan solo en una pequeña parte que estaba entre el ácido y el electrodo, con este sistema la superficie de contacto acaba siendo la malla completa. La capa de carbón activo tiene una doble función, gracias a su elevada porosidad es capaz de almacenar una cantidad de hidrógeno que posteriormente puede ser convertido en energía eléctrica desde el interior de la pila, puede introducirse el hidrógeno de dos maneras, la primera es inyectándolo directamente en forma de micro burbujas que quedarían retenidas en los poros y grietas del carbón , la segunda es mediante un proceso de electrolización del KOH, el carbón activo al ser conductor produciría el hidrógeno desde el interior de los poros reteniéndolo dentro de él permitiendo la reversibilidad del proceso de electrolisis, recuperando parte de la energía (útil para vehículos híbridos), además es posible que se favorezca de este modo la transferencia iónica. Por último se encuentra la capa de electrolito de KOH, es necesario buscar la concentración de la disolución ya que ha de permitir alcanzar temperaturas de 200 grados centígrados y además ha de permitir que se produzcan los efectos de tensión superficial y capilaridad deseados. Si seguimos analizando los componentes de la pila observamos una nueva capa de carbón activo, una de acero, la entrada de oxígeno y la placa bipolar. Todos los elementos que hay a continuación, en la sección del oxígeno funcionan de la misma manera que los elementos situados en la sección del hidrógeno. Al trabajar a 200°C el agua que se genera como residuo se elimina mediante vapor. Respecto a la presión de los gases, dependerá de la precisión en el control de presión sincronizado tanto del oxígeno como del hidrógeno, pues cualquier diferencia significativa de presión puede hacer que se mezclen los gases y se desplace el electrolito. El diseño del stack varía sensiblemente puesto que para evitar que se humedezca en mayor proporción los catalizadores de las celdas del final del camino del gas, éste se introduce y se extrae de cada celda independientemente constantemente, esto permite asegurar la humedad del gas y la detección de fugas en cada una de las celdas, permitiendo un control, mantenimiento y explotación del sistema óptimo. El stack:

En un principio el sistema está diseñado para una aplicación estacionaria, por ejemplo una urbanización en la que varias familias, ha instalado una pila y ellos mismos generan la energía que utilizan mediante aerogeneradores y placas solares. El stack diseñado no es el que habitualmente se conoce en las pilas de combustible, se propone un stack separado por módulos e interconectado eléctricamente y físicamente mediante cableado, conducciones de gas y electrolito. Cada stack es controlado por un sistema que determina su funcionamiento, su control como pila de combustible o como electrolizador y además permite prescindir de las unidades que no funcionan correctamente, permitiendo de esta manera el mantenimiento y la explotación òptima del sistema. Para evitar perdidas en el sistema, cada tack ha de ser capaz de suministrar unos 13Vcc ya que con la resistencia interna de la interconexiones se pierde una pequeña parte de la energía, por supuesto el dimensionamiento de los conductores ha de ser acorde con la energía que han de transportar para evitar perdidas de por calor. A continuación se muestra un ejemplo de funcionamiento.

Esquema de funcionamiento compartido modular

Como se puede ver en el esquema, el sistema se compone de una matriz de conmutación, una serie de stacks cuyo funcionamiento es de 12Vcc y pueden ser utilizados tanto para generar hidrogeno y oxigeno como para producir energía eléctrica. El sistema necesita también unos módulos que gestionan el hidrógeno y el

oxígeno, una matriz de conmutación eléctrica cuya función es enviar o recibir energía de manera selectiva de los diferentes stack además de recibir energía de fuentes alternativas y finalmente enviar la resultante de energía a un ondulador que convierte la energía de 48Vcc a 220Vac para el uso doméstico. La matriz es capaz de paralelar stacks en caso de tener que aportar una mayor demanda de potencia. En el caso de que falle tanto el viento como la luz solar y se consuma totalmente el hidrógeno o el oxígeno, la energía que se distribuye a los hogares es la introducida en la entrada auxiliar del ondulador, ya que mientras que hay energía procedente del sistema a la entrada del ondulador, la energía que toma es la producida por el sistema, comentar en este punto que la energía de las pilas de combustible, tan solo se utiliza cuando la energía suministrada por las fuentes alternativas no es capaz de suministrar la potencia necesaria. Cada uno de los elementos del gráfico está supervisado por un MCC03 (un micro controlador con sus circuitos asociados) que vigila y controla el correcto funcionamiento. Cualquier alarma es enviada a un PC conectado a internet que se encarga de llamar al servicio técnico con el fin de subsanar cualquier incidencia, conmutando a su vez a un equipo de reserva para suplir al elemento defectuoso y evitar así cortes en el suministro. La gestión del hidrógeno y del oxígeno se hace mediante un controlador de presiones y electro válvulas, la sección que hace de electrolizador irá conectada a un presurizador. Si no se quiere depender de la red eléctrica, se puede instalar un grupo electrógeno alimentado con gasoil que funcionaría tan solo en caso de necesidad. Dado que el tiempo de arranque de este tipo de grupos electrógenos es apenas 20 segundos, puede haber un sistema de baterías que actúen durante ese tiempo para evitar micro cortes en el suministro.