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Células Frías de Combustible

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Células Frías de Combustible

Las células de combustible prometen ser la fuente de energía limpia del futuro, pero algunos tipos funcionan a temperaturas demasiado altas para resultar prácticas. Una investigación financiada por la NASA podría tener la solución.

NASA

ver leyendaMarzo 18, 2003: Desde la década de los años 60, los astronautas las han estado utilizando para proveerse de energía a bordo de las naves espaciales. Pronto, tal vez, podrían también llegar a ser comunes y corrientes en la Tierra, proporcionando energía a coches, camiones, computadores portátiles y teléfonos móviles.

Son las llamadas células de combustible.

Mediante la combinación de hidrógeno y oxígeno, las células de combustible pueden producir suficiente energía eléctrica, emitiendo únicamente agua pura como residuo. Son tan limpias que actualmente los astronautas beben el agua producida por las células de combustible del Transbordador Espacial.

Arriba: El Toyota FINE-S, un concepto de vehículo eléctrico híbrido con células de combustible de hidrógeno mostrado en la Exposición Internacional Norteamericana de Automóviles en Enero de 2003. Copyright Toyota Motors. [más información]

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En años recientes el interés por comercializar esta tecnología amigable con el medio ambiente se ha intensificado. Pero existen problemas: No es posible recargar el tanque de hidrógeno en la mayoría de las estaciones de servicio. Y los automóviles y computadores energizados por células de combustible aún resultan relativamente caros. Estos obstáculos han relegado las células de combustible a un pequeño número de vehículos de prueba y a algunas aplicaciones especializadas, como el suministro de energía a bordo del Transbordador Espacial, o sistemas auxiliares de energía para hospitales y aeropuertos.

Ahora, una investigación auspiciada por la NASA está ayudando a superar algunos de estos obstáculos. Buscando la manera de construir células de combustible de "óxido sólido" que operen a la mitad de la temperatura de los diseños convencionales -- 500 C en lugar de los abrasadores 1000 C -- los investigadores del Centro de Superconductividad y Materiales Avanzados (TcSAM) de Texas, Universidad de Houston, esperan desarrollar este tipo de células de combustible, a la vez más baratas de fabricar y más fáciles de usar.

Menos es Más

"Nuestra contribución principal fue hacer el corazón de la célula de combustible -- la lámina de electrolito que controla el flujo de iones cargados eléctricamente -- a partir de una fina lámina de solamente un micrón de espesor", dice Alex Ignatiev, director del proyecto TcSAM, patrocinado por la NASA.

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Arriba: funcionamiento de una Célula de Combustible de Óxido Sólido (SOFC). [más información]

En contraste, las células actuales de combustible de óxido semisólido poseen capas de electrolito de 100 micrones o más de espesor (un micrón es una milésima parte de un milímetro). Ignatiev explica que "Un menor espesor disminuye la resistencia interna a la corriente eléctrica, por lo cual podemos obtener una potencia de salida a temperaturas de operación mucho más bajas".

Para fabricar esta lámina ultra-fina, Ignatiev y sus colegas del TcSAM no pueden simplemente reducir un pedazo de material desgastándolo hasta alcanzar el espesor necesario. En lugar de ello, hacen crecer el electrolito átomo a átomo, depositando capas de átomos, una por una, en un proceso llamado epitaxia. Las finas películas de las células de combustible del TcSAM tienen un espesor de alrededor de 1000 átomos.

ver leyendaAl obtener la misma potencia al 50% de la temperatura se logra una reacción en cadena con respecto a ahorros en el costo. Por una parte, se pueden emplear materiales más baratos para construirlas, en comparación con las caras cerámicas tolerantes a altas temperaturas, y a los aceros de alta resistencia necesarios en las células de combustible que funcionan a 1000 grados. En los automóviles y aparatos de electrnica personal que podrían utilizar estas células de combustible, también se puede evitar el empleo de materiales exóticos y elaborados sistemas de disipación del calor, disminuyendo así los costos de fabricación. Todo esto inclina la balanza de la viabilidad económica en la dirección deseada.

Arriba: Este prototipo de computador portátil de Casio puede operar durante más de 20 horas con una recarga de la célula de combustible de su sistema de energía, el cual se muestra aquí fuera del computador. Derechos Reservados 2002 Casio Inc.

El consenso de soporte para las células de combustible como sucesoras de los motores de combustión interna es amplio y se extiende a todos los campos. La mayoría de los fabricantes de automóviles están desarrollando afanosamente vehículos con estas células, y el Presidente Bush propuso recientemente invertir 1200 millones de dólares para ayudar a la comercialización de esta tecnología.

La industria de la electrónica portátil está también explorando la utilización de células de combustible en miniatura como un reemplazo con más potencia y duración que las baterías. Intel, por ejemplo, fundó una compañía llamada PolyFuel con el objetivo de desarrollar células de combustible para computadores portátiles.

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Las células de combustible de óxido sólido son sólo uno de los seis tipos que están siendo desarrollados en la actualidad. Cada uno utiliza un método diferente para combinar el combustible de hidrógeno con el oxígeno para producir electricidad. La industria del automóvil busca principalmente una membrana de extracción de protones (PEM) para las células de combustible de los coches y camiones del futuro, pero algunas compañías están también considerando las ventajas de varios tipos de células con base en óxido sólido.

ver leyendaDerecha: Las estaciones de repostaje de hidrógeno como ésta en Vancouver, Canadá, aún son raras. El vehículo recargando es un Ford FCV. Copyright Powertech Labs. [más información]

Entre todas estas ventajas, la clave está en la posibilidad de funcionar con combustibles fácilmente disponibles, como metanol e incluso gasolina, que contienen hidrógeno enlazado a carbono y a veces a oxígeno. Los otros cinco tipos de células de combustible pueden funcionar también de esta manera, pero solamente con la ayuda de un equipo adicional llamado "reformador", que extrae hidrógeno puro de estos otros combustibles. Estos reformadores tienen un costo adicional, agregan volumen al motor, reduciendo la potencia, y disminuyendo la eficiencia total del motor cerca de un 50%.

Las células de combustible de óxido sólido pueden consumir combustibles como metanol sin necesitad de reformadores.

La mayor parte del beneficio ambiental de las células de combustible se pierde cuando se emplean combustibles hidrocarbonados, porque la extracción del hidrógeno contenido en ellos produce CO2 y gases contaminantes que van a parar al escape. Sin embargo, esto ayudaría a resolver el problema de "la gallina y el huevo": ¿Quién va a comprar vehículos alimentados con hidrógeno hasta que la mayoría de las estaciones de servicio tengan surtidores de hidrógeno? Además, ¿qué compañía va a financiar la instalación de surtidores de hidrógeno en miles de estaciones de servicio hasta que las calles estén llenas de vehículos dotados de células de combustible? Las células de combustible de óxido sólido pueden ser el eslabón. Inicialmente pueden funcionar con metanol o gasolina y más adelante cambiar a hidrógeno puro en cuanto esté disponible.

ver leyenda La variedad de película fina que está siendo desarrollada por el TcSAM mejora la flexibilidad con respecto al suministro de combustible. Ignatiev explica: "Las células de combustible normales de óxido sólido pueden usar combustibles como metanol, pero se deterioran en cuanto el carbono cubre el electrodo de níquel de la célula de combustible". "Esto ocurre principalmente en las células que operan a 1000 grados de temperatura. La investigación muestra que no sucede -- al menos no en un grado apreciable -- a las temperaturas más bajas a las que funcionan nuestras células".

Arriba: La capa núcleo de una célula de combustible de óxido sólido incluye un ánodo de níquel, que se puede recubrir de carbono cuando funciona a temperaturas demasiado altas. Las células de operación fría no tienen este problema. [más información]

Las células de combustible del TcSAM aún no han sido probadas con otros combustibles diferentes del hidrógeno puro, dice Ignatiev, pero los científicos planean pruebas con combustibles como el metanol durante la siguiente etapa de la investigación.

Aún queda mucho trabajo por hacer. Pero si todo sigue bien, esas películas finas podrían preparar el camino hacia los vehículos de funcionamiento limpio y otras maravillas de la economía con base en el hidrógeno.

Enlaces a la Red (en inglés)

Desarrollo de Productos en el Espacio (Space Product Development - NASA/SPD) -- El objetivo del programa de Desarrolo de Productos Espaciales de la NASA (SPD) es ayudar a las empresas americanas a explorar el potencial -- a recoger los beneficios -- de llevar a cabo negocios en el espacio. Esto ayuda a traer a la Tierra los beneficios del espacio para mejorar la vida diaria del público americano. "La inversión de la industria en el espacio es alta", dice Mark Nall, gestor del programa SPD de la NASA en el Centro Marshall de Vuelos Espaciales. "Ayudamos a las empresas en el desarrollo de experimentos y a explorar cómo la investigación espacial puede contribuir al crecimiento de sus negocios".

Centro de Superconductividad y Materiales Avanzados de Texas (Texas Center for Superconductivity and Advanced Materials - TcSAM) -- TcSAM es uno de los 15 "Centros Patrocinadores de Investigación" alrededor del país que son gestionados por el programa de Desarrollo de Productos Espaciales de la NASA, en el Centro Marshall de Vuelos Espaciales.

Células de combustible de película fina de óxido sólido -- más información, en el portal de uno de los grupos que se fusionaron para convertirse en el TcSAM.

Foto Galería de Células de Combustible -- del Centro Educativo sobre Cédulas de Combustible actuales, (Fuel Cell Today´s Education Center).

Enlaces a la red sobre Células de Combustible: Cómo funcionan las células de combustible (HowStuffWorks.com); Células de Combustible 2000 (fuelcells.org); Células de Combustible Hoy (fuelcelltoday.com);


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FIN
Créditos y Contactos

Autor: Patrick L. Barry
Funcionario Responsable de NASA: John M. Horack
Editor de Producción: Dr. Tony Phillips
Curador: Bryan Walls


Relaciones con los Medios: Steve Roy Traducción al Español: Pablo Quesada/Carlos Román
Editor en Español: Héctor Medina
El Directorio de Ciencias del Centro Marshall para Vuelos Espaciales de la NASA patrocina el Portal de Internet de Science@NASA que incluye a Ciencia@NASA. La misión de Ciencia@NASA es ayudar al público a entender cuán emocionantes son las investigaciones que se realizan en la NASA y colaborar con los científicos en su labor de difusión.