Pila de Hidrógeno

Conceptos básicos de la pila de combustible de hidrógeno

Las pilas de combustible están diseñadas para utilizar un catalizador, como el platino, para convertir una mezcla de hidrógeno y oxígeno en agua. Un subproducto importante de esta reacción química es la electricidad generada cuando las moléculas de hidrógeno interactúan (a través de la oxidación) con el ánodo para producir protones y electrones. Este tutorial interactivo explora los pasos principales en el funcionamiento de las pilas de combustible.

https://micro.magnet.fsu.edu/primer/java/fuelcell/index.html

El tutorial se inicia con una celda de combustible de hidrógeno que tiene cámaras de entrada de hidrógeno y oxígeno separadas por un cátodo, un ánodo y un electrolito. Cuando las moléculas de hidrógeno (representadas por esferas rojas) encuentran el ánodo, se ionizan para producir protones cargados positivamente y dos electrones (esferas verdes) por molécula. Tenga en cuenta que aunque dos esferas de hidrógeno rojas separadas representan una sola molécula de hidrógeno en el tutorial, en realidad, una molécula de hidrógeno contiene dos átomos de hidrógeno individuales que comparten un enlace covalente. Los electrones generados por la oxidación del hidrógeno se utilizan para proporcionar corriente a una bombilla y fluyen hacia el cátodo donde reducen una combinación de oxígeno (esferas azules) e hidrógeno en agua, completando así la reacción. 

Aunque la energía solar existe en un suministro inagotable que está disponible sin costo (y no contamina), la conversión de energía luminosa del sol está asociada con numerosos problemas que limitan severamente las aplicaciones eficientes. La situación más deseable sería idear un mecanismo para convertir la energía solar en una forma compacta y portátil que pudiera transportarse fácilmente a lugares distantes. Muchos esfuerzos de investigación tienen como objetivo utilizar energía solar concentrada para alcanzar las altas temperaturas necesarias para impulsar diversas reacciones químicas, a menudo utilizando catalizadores químicos para producir diferentes combinaciones de combustibles gaseosos que se pueden almacenar y transportar fácilmente. Algunas de las posibilidades son prometedoras, pero la mayoría de los expertos en el campo de la conversión de energía están de acuerdo en que el combustible definitivo que se derivará de la conversión de energía solar es el hidrógeno.

El atractivo del hidrógeno como combustible es abrumador. El hidrógeno molecular está hecho del elemento más ligero del universo y se puede almacenar y transportar fácilmente. Además, el hidrógeno se puede derivar del agua con oxígeno molecular como único subproducto. Cuando se quema hidrógeno, se combina con el oxígeno del aire para formar agua una vez más, regenerando así el material de origen. Lo más importante es que durante todo el ciclo que libera energía en una forma utilizable, ninguno de los pasos intermedios produce cantidades significativas de contaminantes. Mientras el sol continúe produciendo su energía luminosa, el suministro de hidrógeno es inagotable. Actualmente, el hidrógeno se utiliza principalmente como combustible para cohetes (en forma de pilas de combustible catalíticas como se ilustra en la Figura 1) y como componente de una serie de procesos químicos industriales. 

Aunque el hidrógeno se puede producir directamente a partir del agua, se requiere algún tipo de aporte de energía para llevar a cabo la separación del oxígeno. Un medio de impulsar la reacción es utilizar una corriente eléctrica en un proceso denominado electrólisis , y la luz solar se puede utilizar para generar la electricidad para el proceso. La electrólisis implica una reacción de oxidación-reducción en la que la corriente que pasa a través de un par de electrodos sumergidos en agua produce gases de hidrógeno y oxígeno en los electrodos opuestos. Otra posible ruta para la generación de hidrógeno es concentrar la luz solar a temperaturas lo suficientemente altas como para provocar la descomposición térmica del agua en sus componentes de oxígeno e hidrógeno, que luego pueden separarse.

En última instancia, sería deseable un medio más sofisticado de dividir el agua para hacer uso del hidrógeno. Una técnica a partir de la cual se podría lograr la separación es aprovechar la energía del sol a través de reacciones químicas de una manera similar al proceso de fotosíntesis utilizado por plantas y bacterias. Cuando se exponen a la luz solar, las plantas verdes que contienen clorofila dividen continuamente las moléculas de agua, liberan oxígeno y combinan hidrógeno con dióxido de carbono para formar azúcares. Si la primera parte de este, o un proceso similar, se puede duplicar, estaría disponible un suministro ilimitado de hidrógeno, impulsado por la entrada de energía solar.

Un esfuerzo significativo se centra en el desarrollo de la fotosíntesis artificial, que en un nivel fundamental, puede describirse como separación de carga fotoinducida en interfaces definidas molecularmente. Uno de los objetivos deseados de esta investigación es el desarrollo de enzimas controladas por luz e incluso electrónica a escala molecular, que implican la transferencia de portadores de carga en respuesta a la luz y la actividad química. Otro objetivo de dicha investigación es la producción biotecnológica de sustancias como enzimas y pigmentos. En los últimos años, se han utilizado bacterias y organismos similares que degradan el aceite para limpiar derrames. Actualmente, los científicos están intentando perfeccionar formas de utilizar organismos que viven y crecen con energía solar para una variedad de propósitos de biorremediación, como limpiar suministros de agua contaminada.

En determinadas condiciones, se puede inducir a las algas a desconectar su secuencia fotosintética normal en una etapa particular y producir cantidades significativas de hidrógeno. Al evitar que las células quemen el combustible almacenado de la manera habitual, las algas se ven obligadas a activar una vía metabólica alternativa que da como resultado la producción de hidrógeno en cantidades significativas. Este descubrimiento genera esperanzas de que algún día se pueda producir combustible de hidrógeno a partir de la luz solar y el agua a través del proceso fotosintético utilizando complejos fotobiorreactores a gran escala. Investigaciones recientes han descubierto bacterias marinas que contienen el pigmento proteorhodopsina que absorbe la luz ., que les permite convertir la luz solar en energía celular sin depender de la clorofila. Este descubrimiento plantea la posibilidad de utilizar bacterias fácilmente manipulables, como E. coli , en generadores de energía impulsados ​​por la luz que tienen numerosas aplicaciones tanto en las ciencias físicas como en las de la vida.