Celso Moisés Bautista Rodríguez
UHDE Engineering de México S. A. DF. México.
Introducción
Una pila se define como un dispositivo electroquímico que transforma energía química en energía eléctrica (como es el caso de las pilas no recargables), algunos tipos presentan la facultad de realizar el proceso inverso (proceso reversible), es decir; transformar energía eléctrica en química (como en el caso de las pilas recargables)1,2. Una clasificación para pilas ha sido propuesta y se presenta en la Figura 1. Por otra parte, es importante diferenciar a una pila de una batería, ya que entre la población existe una gran confusión al respecto: una batería es un circuito eléctrico o electrónico que emplea dos o más pilas en su arquitectura (ver Figura 3.a). Actualmente se produce y comercializa una amplia gama de tecnología energética, cada equipo eléctrico y electrónico portátil requiere de energía para su funcionamiento, generalmente suministrada por pilas que pueden contener metales pesados como Mercurio, Plomo, Cinc, Cadmio y Magnesio entre otros 3, 4, 5. En estos dispositivos, cuando la energía que se puede obtener de las pilas disminuye a un nivel no suficiente para satisfacer el requerimiento de los aparatos eléctricos o electrónicos que los requieren, el usuario las desecha en los residuos sólidos urbanos, en parques o en áreas no adecuadas, contaminando así cuerpos de agua, aire y suelo. Una muestra de 2000 pilas domésticas desechadas fue recolectada en 2006 por el programa GAE-Cellbatt-05 desarrollado por el Grupo Alter Energías (GAE). El análisis estadístico sobre esta muestra presentó el porcentaje poblacional en función del tamaño de la pila. En los resultados se observó un 43% de la población clasificada como pilas “AA”. El análisis estadístico sobre el voltaje residual indicó un valor promedio para las pilas “AA” de 1.1 V, mientras que la mediana de este parámetro se encuentra al derredor de 1.4 V 6. Posteriormente, los procedimientos PGAE-RCL-01 y PGAE-CLS-01 aplicados en los primeros meses de 2007, reportan resultados estadísticos presentados en las figuras siguientes; el número total de pilas recolectadas en éste periodo fue de 3171 unidades. La nueva estadística realizada muestra un incremento importante en 2007 en el uso y desecho de pilas “AA” y “AAA” con respecto al año 2005, es decir; del 45% de pilas “AA” en 2007 se incrementa al 70% mientras que para las pilas “AAA” el porcentaje se duplica del 11% en 2005 al 22% en 2007. La población de pilas AA recolectadas durante las primeras 8 semanas del 2007 corresponde a 2220 pilas desechadas, donde el 45% de la población presentó un voltaje de 1.4 V. Mediciones eléctricas sobre esta población, permitieron estimar una potencia residual de 3 101 895 Watts (sin considerar otros niveles de voltaje). Esta energía residual representa la energía contenida en 608.4 pilas “AA” nuevas (mediciones también realizadas), mientras que el costo de cuatro pilas nuevas (en ese año) fue de alrededor de 41.00 pesos MN, en consecuencia el costo de esta energía residual desechada es de 6,236.10 pesos MN, sólo en las primeras 8 semanas en los tres sitios de recolección del Campus BUAP. Estas cifras representan un impacto significativo en la economía de los usuarios 7. Por otra parte, una Pila A Combustible (PAC) es un generador que convierte directamente la energía interna de un combustible en energía eléctrica, utilizando un procedimiento electroquímico controlado. Los rendimientos teóricos esperados son altos y sus productos poco contaminantes (agua cuando se aplica Hidrógeno como combustible) 8. La tecnología PAC comprende un sistema electroquímico abierto, compuesto por un “centro de pila ó mocelda” constituido de dos compartimientos separados por un electrolito líquido o semisólido y suministrados de gases reactivos (combustible y comburente). Cada uno de estos compartimientos portan un electrodo, sitio de una semi-reacción electroquímica: una de reducción del comburente (oxígeno) y la otra de oxidación del combustible (hidrógeno u otro). Un electrolito sólido en algún grado hidratado, separa los dos electrodos, su característica principal es la de permitir la migración de protones del compartimiento anódico al catódico por efecto del campo eléctrico generado, sin embargo debe evitar la migración de electrones en el mismo sentido para evitar el efecto de circuito en corto 7, 8, 9, 10. Los electrones migran entonces por un conductor metálico externo hacia el cátodo, siendo posible su utilidad en algún servicio eléctrico ó carga.
Figura 1. Clasificación de pilas domésticas propuesta por el Grupo Alter-Energías 2
Una vez ensamblada la PAC, debe suministrarse a los compartimientos el combustible por al ánodo y el comburente por el cátodo bajo condiciones de operación definidas y continúas (presión, temperatura, pureza, hidratación, etc.) para la producción de corriente eléctrica. Finalmente, el agua producto de la reacción global se transporta por difusión y electroósmosis a través del electrolito y los electrodos hacia el exterior junto con los residuos de reacción. Los combustibles comunes utilizados por las PAC son; Hidrógeno, Metanol, Monóxido de Carbono ó Gas Natural y el carburante generalmente es el Oxígeno del aire. La figura 3 esquematiza el funcionamiento de las PAC en general 7, 8, 9, 10.
Figura 2. Imágenes de una a) pila domestica extraído de un ensamble de batería y b) una pila a combustible tipo PEMFC de 20 Amperios conectado a un banco de pruebas.
Tipos de pilas a combustible
Una forma de clasificar a las PAC es por el tipo de electrolito empleado de acuerdo a la Tabla 1. Otra forma de clasificarlas ha sido por su intervalo de temperatura de operación en; baja (20-120 °C), media (300-600 °C) y alta (600-1000 °C) 7, 8, 9, 10.
Figura 3. Esquema general sobre el funcionamiento de pilas a combustible
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