Piensa un momento acerca de la enorme cantidad de recursos energéticos que usas diariamente. Entre ellos está el motor de tu automóvil, la batería de tu teléfono móvil y toda la electricidad que consumes en tu hogar y oficina. Ya está cercano el día en que todo esto puede acabarse y es necesario tener una alternativa. Ella podría ser una nueva tecnología, denominada "celda de combustible".

Cualquiera sea la necesidad de energía, las celdas de combustible podrían proporcionarla. Pero lo que es más interesante, pueden también contribuir a solucionar muchos de los crecientes problemas medioambientales. Desde luego que estas celdas no son una panacea, pero ya hay muchos antecedentes como para pensar que ellas serán la fuente de energía del futuro.

En el mundo industrializado continúa creciendo la demanda de energía, y ella se incrementará aún más en la medida que se vayan incorporando los países en vías de desarrollo, como por ejemplo, India y China que en conjunto ya superan los dos mil millones de habitantes. Con las tecnologías actuales, aumentaría aún más el impacto sobre el medio ambiente, ya que es la quema de combustibles fósiles la principal causa de la alta contaminación ambiental que amenaza cambiar el clima del planeta. Pero lo que es más urgente, ellos son recursos no renovables que necesariamente tienen que llegar a agotarse en un futuro cercano.

Frente a este desafío, debemos trabajar en dos frentes. a.- reducir el uso de la energía, y b. -lograr producir energía más limpia. Las celdas de combustible pueden ayudarnos a lograr ambos objetivos. Primero, ellas convierten la energía más eficientemente que las fuentes energéticas convencionales, tales como la combustión interna de los motores (en algunos casos son dos veces más eficientes). Segundo, las celdas de combustible casi no producen contaminación.

También tienen ventajas mecánicas, ya que en ellas no hay partes móviles, tampoco hay ruidos y vibraciones asociados con turbinas que giran, ni pistones que se mueven. Esto hace que ellas sean más robustas y menos proclives a desgastarse o dañarse.

Sin embargo hay ciertos problemas, relacionados principalmente con el costo y su densidad de potencia energética (la cantidad de potencia que producen con relación al volumen o masa de los equipos). Pero además tienen que competir con tecnologías ya establecidas por mucho tiempo. Los vehículos que utilicen las celdas de combustible requieren de una innovación total de la infraestructura de propulsión. Necesitan también de entrenamientos y de personal técnico calificado.


Un poco de historia y estado del arte

El comienzo de la historia se remonta al año 1839, fecha en que el juez y científico británico, Sir William Grove demostró que la unión electroquímica de hidrógeno y oxígeno generaba electricidad. Desde entonces muchas personas trataron de desarrollar la idea, pero se desanimaron por los pobres resultados y altos costos. Sólo ha sido después de 1960, que renació el interés, cuando el programa espacial de Estados Unidos ideó utilizar celdas de combustible para producir electricidad dentro de las naves espaciales, en lugar de los riesgosos generadores nucleares y la entonces costosa energía solar. Fueron celdas de combustible las que proporcionaron electricidad y agua a las naves Gémini y Apolo. Hasta hoy en día se usan en todos los lanzamientos espaciales.

Más tarde los expertos han vuelto a pensar en ellas, cada vez que se ha producido una crisis de combustible y se ha elevado el precio del petróleo, como sucedió en 1973 y 1979. Ha sido durante este último tiempo cuando se ha comenzado a resolver problemas de costos, rendimiento y reducción del volumen de los equipos requeridos.

Se han desarrollado distintos tipos de celdas de combustible, pero esencialmente todas ellas trabajan bajo el mismo principio básico. Una unidad de celda de combustible consiste en dos electrodos (ánodo y cátodo) separados por un electrolito (una solución de sustancias disueltas que conducen la electricidad). Un catalizador (típicamente platino) cubre el electrolito.

Para que la celda produzca energía se introduce hidrógeno en estado gaseoso a través del ánodo (-) y oxígeno a través del cátodo (+). Cuando el hidrógeno traspasa el ánodo y choca con el catalizador, se separan sus electrones y sus protones. Los electrones liberados se conducen a través de un circuito externo en forma de corriente eléctrica, mientras que los protones con carga positiva, se propagan a través del electrodo en dirección al cátodo. Paralelamente el catalizador al lado del cátodo divide las moléculas de oxígeno, las cuales se asocian a los protones de hidrógeno que viajaron hacia el cátodo para producir agua ciento por ciento pura, que sale como único sub-producto del proceso. El combustible no se quema, por lo que las celdas no producen contaminantes tales como monóxido de carbono, hollín u óxidos de nitrógeno, como sucede en cualquier proceso de combustión (Fig. 1 y 2).

El mejor tipo de celdas para mover un vehículo, es el que tiene membrana de intercambio de protones (PEM). En este tipo, el electrolito es una delgada capa de plástico (politetrafluoretileno) que deja pasar los protones, pero retiene los electrones y el oxígeno (fig. 1). Este tipo es el ideal para el automóvil, porque trabaja a una temperatura relativamente baja (entre 60 y 80ºC).

Una simple celda PEM es capaz de producir alrededor de 0.7 voltios. Por ello, para lograr producir voltajes útiles, se hace necesario apilar docenas de celdas, ya que un automóvil necesita 300 voltios (Fig. 2).

Aparte de las celdas PEM, existen otros cuatro tipos de celdas de combustible. Ellas toman su nombre a partir de los electrodos usados: "alcalina", "ácido fosfórico", "carbonato fundido" y "óxidos sólidos". Un sexto tipo, "las celdas de combustible de metanol directo" son casi idénticas a las celdas PEM, pero usan metanol como fuente de hidrógeno (ver recuadro 1).

Las celdas de combustible se clasifican, a grosso modo, en dos clases: celdas de bajas temperaturas, son las que trabajan a menos de 100ºC y parten rápidamente. Sin embargo son extremadamente sensibles respecto al combustible que usan. Las otras son de altas temperaturas, las cuales pueden trabajar con un rango amplio de combustibles, pero toman un largo tiempo para ponerse en marcha, y a menudo requieren de aislamiento térmico. Cada tipo de celda tiene sus propios beneficios y desventajas, por lo que son útiles para distintas aplicaciones.

En el grupo de temperaturas bajas están las PEM y las celdas alcalinas. Las celdas PEM parten rápidamente y tienen la más alta densidad de potencia de todas, haciéndolas ideales para el transporte. Todos los fabricantes de vehículos mayores miran las PEM como el sucesor de los motores de combustión interna. Los modelos actuales producen 0.3 kilowatts por kilogramo de celda de combustible. Un motor normal alcanza cerca de 1 kilowatts por kilogramo.

Las celdas alcalinas también parten rápidamente, pero su densidad de potencia es sólo una décima parte de la celda de combustible PEM, por lo que son demasiado voluminosas para utilizarlas en automóviles. Sin embargo son más baratas que cualquier otro tipo y pueden ser usadas en aplicaciones pequeñas y estacionarias. También pueden ser buenos cargadores de baterías en vehículos que usen baterías como fuente energética.

Para su uso, es importante decidir sobre la fuente de hidrógeno, que puede ser hidrógeno puro o lograr éste por oxidación de hidrocarburos. Para las celdas de baja temperatura es preferible utilizar el hidrógeno puro, ya que la oxidación de los hidrocarburos requiere de altas temperaturas. Por otra parte la contaminación con gases inertes, incluso una pizca de monóxido de carbono, contamina el catalizador de la celda PEM, como también en una celda alcalina el CO₂ reacciona con el hidróxido de potasio del electrolito para formar carbonato de potasio, lo que reduce el buen comportamiento de la celda.

En el grupo de las celdas de alta temperatura, están las de óxidos sólidos y de carbonatos fundidos. Estas operan entre 600ºC y 1000ºC, y el calentamiento de ellas puede tomar varias horas. Esto imposibilita su uso para el transporte, ya que nadie quiere esperar horas para que su auto se ponga en marcha. Sin embargo, sus altas temperaturas de operación significa que ellas pueden trabajar con combustibles "sucios", tales como el gas natural y el metanol, los que son más fácilmente disponibles que el hidrógeno puro. Por otra parte, las altas temperaturas también degrada impurezas.

Las celdas de óxido sólido funcionan en forma levemente diferente de las PEM. El electrolito conduce iones de oxígeno (O²) en vez de iones de hidrógeno y ellos se mueven desde el cátodo al ánodo. El electrolito es una cerámica (óxido de zirconio estabilizado con una pequeña cantidad de óxido itrio) que llega a ser conductora para iones de oxígeno a 800ºC. Estas celdas tienen a veces una estructura tubular (Figura 3). Esta construcción es más fácil para sellar, pero más cara de fabricar. Se espera que las celdas de combustible de óxido sólido lleguen a tener el mayor rango de aplicación. Así por ejemplo, unidades grandes pueden ser útiles para generar electricidad y calor en industrias. Unidades más pequeñas podrían usarse en el hogar o para proveer de aire acondicionado o alimentar la electrónica auxiliar en los autos.

Las celdas de carbonato fundido son altamente eficientes, por lo que son atractivas para aplicaciones más grandes, tales como procesos industriales y turbinas generadoras de electricidad. Hay algunos problemas con la naturaleza corrosiva de los electrolitos (una solución de carbonato de litio y carbonato de sodio o potasio), pero investigaciones recientes parecen haber resuelto este problema.

En las de temperaturas de rango medio, están las celdas energéticas de ácido fosfórico, que funcionan con hidrógeno y que no son tan sensibles a las impurezas del combustible, como lo son las celdas de bajas temperaturas. Ellas operan a un rango de 200ºC, con una densidad de potencia que las ubican entre las PEM y las celdas alcalinas. Las celdas de ácido fosfórico han sido probadas en buses, pero todo hace pensar que en el futuro su uso va a estar en sistemas estáticos.


Lo que ya se esta probando

Las aplicaciones más visibles de las celdas de combustible, sin duda que están en el transporte. Ya los buses equipados con celdas PEM, han sido exitosamente probados en Vancouver y Chicago. Otras pruebas ya están en marcha en Munich y Erlagen, en Alemania. Se espera que en el año 2002, ellas ya se estarán probando en diez ciudades de Europa y también en Australia. De acuerdo a lo programado, en Londres se ensayaron en los taxis, en Hamburgo en los camiones y en California en los buses. En respuesta a las exigencias legales de California de "contaminación cero", los autos ya están siendo construidos por la Ford, General Motors y Daimler Crysler. Según la legislación se exige que para el año 2002, el 2% de los autos vendidos en el Estado deben ser vehículos con emisión cero (movidos con baterías eléctricas o celdas de combustible con hidrógeno). Estas exigencias se elevan al 8% de emisión cero, para 2003. Mientras tanto, las celdas de combustible alcalinas, ya están siendo probadas en algunos vehículos prototipos exclusivos.

Por otra parte, las celdas de combustible están también siendo utilizadas como fuente de energía, en forma estacionaria. Unas cuantas casas en Japón, Alemania y Estados Unidos, ya usan el sistema PEM para todo su consumo energético y de calor (Fig. 5). También están en operación sistemas más grandes. Una estación de policía en el Central Park de Nueva York, cuenta con una celda de combustible de ácido fosfórico que le proporciona 200 kilowatts, la que le provee de electricidad y calor. El sistema fue construido por la Compañía Internacional Fuel Celís, con un costo de un millón de dólares, que es menos que lo que le habría costado cavar y poner el tendido eléctrico en el parque. La empresa Internacional Fuel Cells ya ha vendido alrededor de 200 de estas unidades en el mundo. Algunas son usadas cuando la confiabilidad es vital, como por ejemplo un banco electrónico. Otras proveen calor y energía para centros de entretenimientos, como sucede en Alemania e Inglaterra. También está en uso un conjunto de cinco celdas unidas para proporcionar calor y electricidad en Alaska.

En Japón se instalaron las celdas de combustible más grandes del mundo (de ácido fosfórico de 10 megawatts), que suministraron energía eléctrica para la Compañía Eléctrica de Tokio, hasta que se agotaron en 1994. En Yokohama, otras instalaciones incluyen una unidad de IFC de ácido fosfórico de 200 kilowatts, que proporciona calor y energía para trabajo de alcantarilla, además de una unidad de carbonato fundido de 2 megawatts que está siendo probada por Chubu Electric Power. Otras celdas de combustible que utilizan carbonato fundido, están siendo probadas en Estados Unidos, Alemania y Japón, para generar electricidad en procesos industriales corrientes. Unidades de óxido de alrededor de 3 kilowatts, fabricadas por la compañía Suiza Sulzer, están siendo probadas en Suiza para proveer de calefacción central a las casas. Prototipos industriales del sistema de óxido soluble, fabricado por Siemens, están siendo probados en Holanda y Estados Unidos.

Actualmente, IFC es la única compañía que vende las celdas de combustible en estanques. El próximo año, la compañía canadiense Ballard Power System, espera comercializar un sistema pequeño, portátil (500 watts) de celdas de combustible para actividades recreativas, tales como camping o emergencias. Sin embargo hay que reconocer que la mayoría de las celdas de combustible están aún en etapa de desarrollo y sus costos son hasta ahora demasiado altos como para competir con las tecnologías convencionales. Sin embargo, estos han estado bajando rápidamente durante los últimos años (El hidrogeno para reemplazar la energia fosil) .

Si los vehículos del futuro van a usar celdas de combustible, el hidrógeno sería lo óptimo, ya que no produce emanaciones contaminantes. El problema es como producirlo, porque no se encuentra en estado puro en la naturaleza, por lo que tiene que ser extraído de otras fuentes. Los hidrocarbones, que incluyen los combustibles fósiles y la biomasa (materias orgánicas en desecho), pueden ser procesados para descomponerlos en hidrógeno y CO₂. La alternativa puede ser la hidrólisis del agua, proceso que requiere de electricidad. Para que el resultado final sea eternamente limpio, ésta habría que generarla utilizando recursos renovables, como por ejemplo la energía eólica (Creces, Junio 2001, pág. 11).

Para suministrar hidrógeno a los vehículos, existen dos posibilidades: tanques de hidrógeno comprimido o generadores de hidrógeno instalados en ellos. Los depósitos de hidrógeno ya han sido utilizados exitosamente en buses. El problema está en que este es un gas, que para transformarlo en líquido, se requiere enfriarlo hasta -253ºC. Ello es caro y es difícil de almacenar. Los buses que hasta ahora se han puesto a prueba, han usado tanques que contienen cerca de 250 bares de hidrógeno comprimido, pero requieren de 7 u 8 estanques instalados en el techo, con lo que tienen un alcance de 250 kilómetros. Algunos buses usan hidrógeno líquido, lo que les da una mayor autonomía. Sin embargo hay que considerar el costo que significa licuarlo. Si ello se generalizara, se requeriría toda una nueva infraestructura de distribución.

La alternativa es generar hidrógeno en los vehículos, mediante la transformación de un combustible líquido, que puede ser metanol o petróleo (recuadro 2). La ventaja de esto es que el combustible líquido tiene una alta densidad energética (necesita menos volumen para un mismo recorrido). La desventaja es que los convertidores pequeños y livianos son complejos y caros. En los sistemas estacionarios es más fácil, ya que se puede utilizar un convertidor cuyo peso y tamaño no es limitante.


El miedo al combustible

Algunas personas piensan que almacenar hidrógeno en los estanques de los automóviles sería demasiado peligroso. Sin embargo, olvidan que la gasolina ha sido usada por muchos años, aun cuando se sabe que es un líquido explosivo peligroso. El hidrógeno es también inflamable, pero a diferencia de la gasolina, cuando está en un espacio confinado, requiere de mucho oxígeno para inflamarse. Por otra parte, la llama del hidrógeno casi no irradia calor y se dispersa y quema más rápidamente que la gasolina. Es por estas razones que el hidrógeno es mucho menos peligroso que la gasolina. Aún pena el desastre del Zeppelín Hindenburg, que se incendió en 1937 y que costó la vida de 35 personas. Sin embargo el causante de la desgracia no fue el hidrógeno, sino el material inflamable de su estructura externa. Erradicar el temor, va a costar tiempo.

El verdadero limitante está en los costos para la utilización del hidrógeno. La esperanza está en que en el futuro próximo mejoren aún más la tecnología, y seguramente que cuando sean las celdas fabricadas en serie, ellos bajarán sustantivamente. Hoy en día, habría que pagar 500 dólares por cada kilowatt generado por una celda energética, mientras que un motor de automóvil lo hace por 50 dólares por kilowatt.

Existen esperanzas fundadas que en un futuro muy próximo las celdas serán más baratas. Se ha logrado disminuir la cantidad de platino, el catalizador que favorece la reacción, disminuyendo así su costo por un factor de 20, y los expertos estiman que el costo total se puede disminuir aun mucho más, hasta caer a 30 dólares por kilowatt (New Scientist, Noviembre 25, 2000, pág. 3).

Con todo, ya se están construyendo las primeras plantas de producción, incluyendo una planta de combustible alcalina por la firma Anglo-Belga Ze Tek Power en la ciudad de Colonia, una planta de PEM en San Diego, por la firma Ballard y una de óxido sólido, por la Compañía Canedian Global Termoelectric en Calgary.

Todos ellos esperan que ante el grave problema de la contaminación proveniente de los motores de combustión y el inminente agotamiento de las reservas de energía fósil, lleve a los distintos gobiernos a legislar como lo hizo el estado de California y que incentiven la producción de vehículos con emisión cero. El hecho es que ante la necesidad, las soluciones ya comienzan a aparecer, y con lo ya logrado, podemos afirmar que la utilización de las celdas energéticas será una realidad en los próximos años.