Conversión directa de energía química en electricidad limpia — sin combustión, sin partes móviles.
Un dispositivo electroquímico que convierte energía química directamente en electricidad, sin pasar por combustión.
El hidrógeno se oxida en la capa catalizadora (Pt). Se liberan protones y electrones.
Solo los protones H⁺ pueden cruzar. Los electrones están bloqueados — se fuerzan por el circuito externo, generando corriente eléctrica.
Los protones, electrones y oxígeno se recombinan produciendo agua como único subproducto.
Se categorizan por su electrolito, lo que determina temperatura de operación y aplicaciones.
| Tipo | Electrolito | Temp. (°C) | Eficiencia | Aplicaciones |
|---|---|---|---|---|
| PEMFC | Nafion (polímero sólido) | 60–100 | 40–60% | Vehículos, portátiles |
| AFC | KOH acuoso | 90–100 | 60–70% | Espacio (NASA Apollo) |
| PAFC | H₃PO₄ líquido | 175–200 | ~85% | Estacionaria media potencia |
| MCFC | Li₂CO₃/Na₂CO₃/K₂CO₃ | 600–1000 | 60–65% | Industrial, reformado CH₄ |
| SOFC | ZrO₂ + Y₂O₃ (cerámico) | 600–1000 | 60–70% | Generación gran escala |
| DMFC | Nafion (metanol directo) | 60–130 | 20–40% | Portátiles, electrónica |
Opera a 200°C con H₃PO₄. Uso estacionario de media potencia. Primera celda comercializada.
Temperatura: 650°C. Permite reformado interno de metano. Consume CO₂ en el cátodo — beneficio ambiental.
Cerámicos a 800–1000°C. Estado sólido, extremadamente eficientes. Generación industrial a gran escala.
Usa metanol líquido directamente, eliminando la necesidad de reformadores. Reto: cross-over (metanol que cruza la membrana e inutiliza la celda).
El concepto central que define el límite termodinámico de conversión de energía en una celda.
La variación de ΔG predice si una reacción ocurre por sí sola.
Espontánea
La reacción avanza sola. El potencial eléctrico es positivo. La celda genera electricidad.
Equilibrio
El sistema está en equilibrio termodinámico. No hay flujo neto de reacción ni corriente eléctrica.
No Espontánea
Requiere energía externa. Es el caso de la electrólisis: forzamos la reacción con corriente DC.
Debido al signo negativo:
• ΔG negativo → E positivo → Genera electricidad
• ΔG positivo → E negativo → Requiere energía
Para H₂/O₂ en condiciones estándar (agua líquida):
ηmáx = 83%
El potencial ideal disminuye al aumentar T, porque |ΔG| desciende (ΔS de la reacción H₂ es negativa).
ηreal = ηtermodinámica × ηvoltaje
ηvoltaje = Vreal / ENernst
Calcula el potencial eléctrico ideal considerando las condiciones reales de operación.
El voltaje real (~1.23V teórico) disminuye debido a tres tipos de pérdidas.
50–100 mV
Se debe a la lentitud de algunas reacciones. Requiere una energía inicial.
Predomina: densidades de corriente bajas
Lineal (Región de Tafel)
Causada por las resistencias eléctricas de los electrodos, el electrolito y los contactos.
Predomina: densidades de corriente intermedias
Exponencial
Ocurre por gradientes de difusión que disminuyen la actividad del electrodo.
Predomina: densidades de corriente altas
Comportamiento del voltaje vs densidad de corriente — las 3 regiones de pérdidas.
Caída rápida inicial del voltaje. La lentitud de la cinética de reacción requiere energía inicial para arrancar.
Caída lineal (Región de Tafel). Resistencia de los materiales y contactos domina la pérdida.
Caída abrupta. Los gradientes de difusión impiden que los reactivos lleguen al electrodo a tiempo.
El hidrógeno no es una fuente primaria de energía, sino un vector que almacena y transporta energía.
Producido por electrólisis con energía renovable (solar, eólica). Cero emisiones netas de CO₂. El objetivo de la transición energética.
Reformado de gas natural con captura y almacenamiento de carbono (CCS). Emisiones reducidas pero no eliminadas.
Gasificación de carbón o reformado sin captura de emisiones. Representa el ~95% de la producción actual mundial.
El proceso inverso a la celda de combustible — consume electricidad para producir hidrógeno.
Son procesos complementarios: la electrólisis produce el combustible que la celda consume.
Si la electricidad para la electrólisis proviene de fuentes renovables, el ciclo completo tiene cero emisiones netas.