Celdas de Combustible

Una celda de combustible convierte la energía química de un combustible y un oxidante suministrados continuamente directamente en electricidad a través de reacciones electroquímicas espacialmente separadas, sin combustión.

Definition

Un dispositivo electroquímico que produce electricidad oxidando continuamente un combustible suministrado externamente en el ánodo y reduciendo un oxidante, típicamente oxígeno, en el cátodo, con iones transportados a través de un electrolito.

Scope

Este tema abarca el funcionamiento de las celdas de combustible: la oxidación anódica de un combustible como el hidrógeno y la reducción catódica del oxígeno, el papel del electrolito o membrana conductora de iones, los principales tipos de celdas distinguidos por el electrolito y la temperatura, la limitación cinética de la reacción de reducción de oxígeno y la eficiencia en relación con los límites termodinámicos. Se aborda por qué las celdas de combustible son fundamentales para los sistemas energéticos basados en hidrógeno.

Core questions

• ¿Cómo genera electricidad una celda de combustible directamente a partir del combustible sin combustión?
• ¿Qué papel desempeña el electrolito o la membrana conductora de iones en la separación de las semirreacciones?
• ¿Por qué la reacción de reducción de oxígeno limita el rendimiento y cómo lo aborda la catálisis?
• ¿Cómo difieren los tipos de celdas de combustible en cuanto a electrolito, temperatura de funcionamiento y aplicación?

Key theories

Oxidación electroquímica continua

A diferencia de una batería, una celda de combustible no almacena reactivos internamente; el combustible y el oxidante fluyen continuamente a electrodos espacialmente separados, por lo que la electricidad se produce mientras continúe el suministro, desacoplando la potencia de la capacidad almacenada.

Sobrepotencial de reducción de oxígeno

La cinética lenta de la reacción de reducción de oxígeno multielectrónica en el cátodo impone un gran sobrepotencial que domina la pérdida de eficiencia, lo que motiva el desarrollo de electrocatalizadores de platino y alternativos.

Clinical relevance

Las celdas de combustible ofrecen energía limpia y eficiente para vehículos, generación estacionaria y sistemas portátiles, y son fundamentales para las estrategias de la economía del hidrógeno para descarbonizar el transporte y la industria; su costo y durabilidad dependen de los avances en catalizadores y membranas.

History

Grove demostró la batería voltaica gaseosa en 1839, basándose en las observaciones de Schönbein; Bacon desarrolló celdas de combustible alcalinas prácticas a mediados del siglo XX, que impulsaron las misiones Apolo, y las celdas de membrana de intercambio protónico maduraron para el transporte a partir de la década de 1990.

Key figures

• William Grove
• Francis Thomas Bacon
• Christian Friedrich Schönbein

Seminal works

• winter2004
• ohayre2016
• newman2004

Frequently asked questions

¿Por qué las celdas de combustible son más eficientes que los motores de combustión?

Convierten la energía química directamente en electricidad electroquímicamente, por lo que no están limitadas por el límite de Carnot que restringe a los motores térmicos, lo que permite una mayor eficiencia, especialmente a carga parcial.

¿Por qué las celdas de combustible de hidrógeno necesitan catalizadores de platino caros?

La reacción de reducción de oxígeno en el cátodo es cinéticamente muy lenta, y los metales del grupo del platino proporcionan la actividad necesaria para mantener un sobrepotencial aceptable; reducir o reemplazar este catalizador es un objetivo de investigación importante.