SCHOTT solutions n° 1/2014 > Pilas de combustible

Heat-resistant glasses
Foto: SCHOTT/H.-R. Schulz

Pasión por la energía generada eficientemente


SCHOTT suministra vidrios y vitrocerámicas muy resistentes al calor para juntas de pilas de combustible de alta temperatura. La Pila de Combustible de Óxido Sólido (SOFC) alcanza ya una eficiencia del 90 %. La actividad investigadora persigue la comercialización masiva de esta proveedora de calor y electricidad energéticamente eficiente.


Oliver Frederik Hahr

Ya en 1870, el autor de ciencia ficción francés Julio Verne vaticinaba que, según sus propias palabras, ”el agua será el carbón del futuro”. De hecho, el investigador alemán Christian Friedrich Schönbein había descubierto ya en 1838 que se podía generar de forma muy eficiente energía eléctrica a partir de la reacción química entre el hidrógeno y el oxígeno. El ”producto de desecho” reutilizable era el agua. Aunque la dinamo, que genera corriente a partir del movimiento, se popularizó más rápidamente, esta tecnología está viviendo un renacimiento desde que las primeras misiones lunares fueran abastecidas exitosamente con electricidad mediante pilas de combustible en los años 60. Se desarrollaron muchas variantes para uso móvil y estacionario. Se piensa que la pila de combustible de alta temperatura tiene un alto potencial de mercado.
High temperature fuel cells
Las pilas de combustible de alta temperatura actuales consisten en unas células galvánicas planas dispuestas en forma de ”pilas” para alcanzar una mayor potencia energética. El sellado hermético de los componentes de la pila con soldaduras de vidrio o vitrocerámicas de SCHOTT representa el prerrequisito básico para asegurar las prestaciones del sistema durante un periodo de tiempo más prolongado. Foto: SCHOTT/H.-R. Schulz

Electricidad y calor para el hogar


El problema es que el hidrógeno se da casi exclusivamente en forma combinada en la Tierra. Debido a su elevada temperatura de funcionamiento, de 600-1.000 °C, la SOFC es el único dispositivo capaz de utilizar también combustibles fósiles para suministrar hidrógeno. Así se puede aprovechar de forma flexible la infraestructura existente del gas natural y el biogás, así como del gasóleo de calefacción y del diésel.

Este mercado es joven y crece: actualmente hay más de diez mil pilas de combustible para calefacción en funcionamiento en Japón y unas 600 en los hogares alemanes. Sus datos de desempeño están siendo constantemente evaluados desde 2008 en el proyecto de test de campo ”Callux.” En la tercera generación de estos dispositivos ya se ha podido incrementar su eficiencia eléctrica entre mínimo el 30 y más del 60 %. El rendimiento total se sitúa entre el 90 y el 98 %. Al mismo tiempo, el precio unitario ha caído en un 60 % y los costes de mantenimiento en un 90 %. ”El rendimiento de las SOFCs actuales es impresionante. Sin embargo, al mismo tiempo los materiales de los que están hechas estás pilas se ven sometidos a esfuerzos muy grandes, debido a la alta temperatura y humedad. La tecnología de unión es especialmente importante para mantener durante años la elevada eficiencia de la pila de combustible”, explica el Dr.-Ing. Mihails Kusnezoff, especialista en sistemas de energía en el Instituto Fraunhofer de Tecnologías y Sistemas Cerámicos IKTS, de Dresde.
SCHOTT Electronic Packaging
SCHOTT Electronic Packaging investiga intensivamente para desarrollar nuevos productos de vidrio de mejores prestaciones. Por ejemplo, se determinan las superficies específicas de polvos de vidrio utilizando nitrógeno líquido. La ilustración de abajo muestra el proceso de fabricación de los vidrios sellantes para SOFC. Foto: SCHOTT/H.-J. Schulz
El material elegido es un vidrio especial. Al fundirlo se forma una unión hermética permanente entre el electrolito de óxido cerámico y el metal de la envolvente de la pila. Así no se producirá ningún intercambio descontrolado de gases. Las interconexiones de las pilas, conectadas en serie en un denominado ”apilamiento”, quedan aisladas eléctricamente por medio de un vidrio libre de álcalis. SCHOTT es un líder en el desarrollo y fabricación de vidrios sellantes. Estos vidrios especiales son molturados para obtener polvo y aplicados utilizando un aglomerante orgánico. A partir del amplio surtido de vidrios estándar y soluciones a medida se adapta la soldadura al coeficiente de dilatación de los metales y las cerámicas a unir, con el fin de asegurar una hermeticidad sin tensiones.

”La elevada temperatura operativa de la SOFC plantea un reto especial, porque muchos tipos de vidrio se vuelven blandos y elásticos a partir de los 500 °C”, explica el Dr. Jens Suffner, desarrollador de productos en SCHOTT Electronic Packaging, en Landshut (Alemania). ”Por esta razón, utilizamos vidrios emparejados especialmente, con fases cristalinas definidas que, debido a sus coeficientes de dilatación más elevados, se dilatan a medida que la temperatura aumenta, asegurando que la masa permanecerá estanca al gas y conservará su posición, como si fuera miel espesa”, agrega.
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Así funciona una pila de combustible de alta temperatura


SCHOTT es uno de los líderes en este campo de investigación. De hecho, ha participado en el proyecto ”SOFC20” para el desarrollo exitoso del demostrador de un sistema de “caja caliente” con una potencia eléctrica de 5 kW y una eficiencia eléctrica superior al 50 %. Aparte de esto, en el proyecto ”Endurance” de la UE se están desarrollando con partners internacionales materiales optimizados y métodos de análisis y fabricación para la próxima generación de apilamientos de pilas de combustible de gran durabilidad. La pila de combustible no sólo es considerada una contribución significativa al futuro del abastecimiento energético en la UE. En los últimos años la actividad investigadora también se ha acelerado en Japón, EE.UU., Corea del Sur y otros países. Se está invirtiendo mucho más dinero en eficiencia energética, porque el hambre de energía del mundo crece constantemente – en un 40 % hasta 2035, según una estimación de BP publicada en un reciente estudio. <
Sealing glasses
Fuente: SCHOTT/A. Schneiderwind