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Las pilas de combustible son dispositivos que transforman la energía química en energía eléctrica, y se utilizan con frecuencia como fuente de energía limpia y alternativa.
Aunque la gasolina sigue siendo la principal fuente de combustible para los vehículos en los EE. UU., En las últimas décadas se han explorado fuentes de combustible alternativas para disminuir la dependencia de los combustibles fósiles y generar fuentes de energía más limpias.
Las pilas de combustible de hidrógeno utilizan hidrógeno limpio como combustible y solo producen agua como residuo. Aunque a menudo se comparan con las baterías, las pilas de combustible son más similares a los motores de los automóviles, ya que no pueden almacenar energía y requieren una fuente constante de combustible para producir energía. Como resultado, se necesita una cantidad significativa de hidrógeno para el funcionamiento constante de las pilas de combustible.
Este video presentará la electrólisis del agua a escala de laboratorio para producir gas hidrógeno, seguida de la operación de una celda de combustible de hidrógeno a pequeña escala.
El hidrógeno es el elemento más abundante en el universo. En la Tierra, se encuentra principalmente en compuestos con otros elementos. Por lo tanto, para utilizar el hidrógeno elemental como combustible, debe refinarse a partir de otros compuestos. La mayor parte del gas hidrógeno se produce a través del proceso de reformado de metano, que consume mucha energía, que aísla el hidrógeno del gas metano. Sin embargo, este proceso es extremadamente intensivo en energía, utiliza combustibles fósiles y da como resultado cantidades significativas de gases residuales. Esto contribuye al cambio climático, y también envenena las pilas de combustible y disminuye la operatividad.
La electrólisis del agua es un método alternativo para producir gas hidrógeno limpio, es decir, hidrógeno libre de gases contaminantes. En la electrólisis, el agua se divide en hidrógeno y oxígeno gaseoso, utilizando una corriente eléctrica. Para hacer esto, se conecta una fuente de energía eléctrica a dos electrodos, que están hechos de un metal inerte. A continuación, se colocan los electrodos en el agua y se aplica corriente eléctrica. Para la electrólisis a pequeña escala, se puede usar una batería o un pequeño panel solar para generar suficiente corriente para dividir el agua. Sin embargo, en aplicaciones a gran escala, se requieren fuentes de mayor densidad de energía.
La reacción de electrólisis es una reacción de oxidación-reducción, o redox. Se producen el doble de moléculas de hidrógeno que de oxígeno, según la reacción química equilibrada. El gas hidrógeno generado a partir de esta reacción electroquímica puede recogerse y almacenarse para su uso como combustible en una pila de combustible. Una pila de combustible de membrana de intercambio de protones, o PEM, transforma la energía química, o gas hidrógeno, en energía eléctrica. Al igual que con la electrólisis, la pila de combustible PEM emplea una reacción redox. El gas hidrógeno se suministra al ánodo del conjunto de la pila de combustible, donde se oxida para formar protones y electrones.
Los protones cargados positivamente migran a través de la membrana de intercambio de protones hasta el cátodo. Sin embargo, los electrones cargados negativamente no pueden penetrar la membrana. Los electrones viajan a través de un circuito externo, proporcionando corriente eléctrica. El gas oxígeno se suministra al cátodo del conjunto de la pila de combustible, donde se produce la reacción de reducción. Allí, el oxígeno reacciona con los protones y electrones que se generaron en el ánodo para formar agua. A continuación, el agua se elimina de la pila de combustible como residuo.
Ahora que se han explicado los conceptos básicos del funcionamiento de las pilas de combustible, veamos este proceso en el laboratorio.
Para comenzar el procedimiento, configure el electrolizador y los dos cilindros de recolección de gas. Llene los recipientes exteriores con agua destilada hasta la marca cero. Coloque los cilindros de recolección de gas en los recipientes exteriores.
A continuación, conecte el electrolizador a los cilindros de recolección de gas mediante un tubo. Conecte un panel solar al electrolizador mediante cables de puente. Coloque el panel solar bajo la luz solar directa para alimentar la producción de gas hidrógeno. Si no hay suficiente luz natural, simule la luz del sol con una lámpara.
El hidrógeno y el gas oxígeno comenzarán a ingresar a los cilindros internos de recolección de gas. Controle el volumen de cada gas producido en intervalos de 30 segundos, utilizando la escala marcada en el cilindro exterior.
Cuando el cilindro interior está completamente lleno de gas hidrógeno, surgirán burbujas del cilindro interior que finalmente llegarán a la superficie. En este punto, desconecte el panel solar del electrolizador y cierre la cincha del tubo de gas hidrógeno, para que no se escape nada del gas hidrógeno. Nótese que se produce el doble de gas hidrógeno que gas oxígeno, como se predice en la ecuación química equilibrada.
Para comenzar el funcionamiento de la pila de combustible, coloque la pila de combustible en la mesa de trabajo. Desconecte el tubo de gas hidrógeno del electrolizador y conéctelo a la pila de combustible. El oxígeno requerido se recoge del aire.
Conecte la pila de combustible a un ventilador o a una luz LED para visualizar la generación de energía. Suelte la cincha del tubo de gas hidrógeno para permitir el flujo de gas a la pila de combustible. Si el ventilador no comienza a girar, presione la válvula de purga de la celda de combustible para estimular el flujo de gas.
El ventilador continuará girando hasta que se consuma todo el gas hidrógeno.
Hay muchos tipos diferentes de pilas de combustible que se están desarrollando como soluciones de energía limpia. Aquí presentamos tres tecnologías emergentes.
Las pilas de combustible de óxido sólido, o SOFC, son otro tipo de pila de combustible, que funcionan de manera similar a una pila de combustible PEM, excepto que la membrana permeable se reemplaza con un óxido sólido. Al igual que con las pilas de combustible PEM, la operatividad de las SOFC disminuye tras la exposición a gases contaminantes que contienen azufre y carbono. En este ejemplo, se fabricaron electrodos SOFC y luego se expusieron a entornos operativos típicos a alta temperatura en presencia de combustible contaminado con azufre y carbono.
El envenenamiento de la superficie de los electrodos se estudió mediante electroquímica y espectroscopía Raman. Los resultados mostraron que la corriente disminuía con el envenenamiento por azufre, pero que la recuperación era posible. Los estudios de microscopía de fuerza atómica dilucidaron la morfología de los depósitos de carbono, lo que puede conducir a un mayor desarrollo para prevenir este envenenamiento.
Una pila de combustible microbiana deriva corriente eléctrica de las bacterias que se encuentran en la naturaleza. En este ejemplo, se cultivaron bacterias adquiridas de las plantas de tratamiento de aguas residuales y se utilizaron para cultivar biopelículas. Se instaló una celda electroquímica de tres electrodos, con el fin de cultivar bacterias en la superficie de un electrodo. La biopelícula se cultivó electroquímicamente en varios ciclos de crecimiento.
A continuación, se probó electroquímicamente la transferencia de electrones extracelulares del biofilm resultante. Los resultados electroquímicos se utilizaron para comprender la transferencia de electrones y la posible aplicación de la biopelícula a las pilas de combustible microbianas.
La electrólisis requiere energía para descomponer el agua en hidrógeno y oxígeno. Este proceso consume mucha energía a gran escala, pero puede operarse a pequeña escala utilizando una célula solar.
Una fuente de energía alternativa para la electrólisis es la energía eólica. En el laboratorio, la electrólisis puede alimentarse con una turbina eólica a escala de laboratorio. En esta demostración, la turbina eólica se alimentó utilizando viento simulado generado por un ventilador de mesa.
Acabas de ver la introducción de JoVE a la pila de combustible PEM. Ahora debería comprender el funcionamiento básico de una pila de combustible PEM y la generación de gas hidrógeno mediante electrólisis. ¡Gracias por mirar!
