Pilas de combustible de hidrógeno ¿cómo funcionan?

Las pilas de combustible son una alternativa limpia y libre de emisiones a los procesos de combustión tradicionales y utilizan hidrógeno para generar energía a través de reacciones electroquímicas. Estas pilas se vuelven aún más respetuosas con el medio ambiente cuando el hidrógeno se produce de forma sostenible.

Esquema básico de una pila de combustible

Existen distintas tecnologías de pilas de combustible, pero comparten características similares. Todas las celdas de combustible albergan un ánodo y un cátodo a cada lado de un electrolito. En una pila de combustible conductora de protones, se alimenta hidrógeno al ánodo y se utiliza un catalizador para generar iones cargados positivamente que fluyen a través del electrolito hasta el cátodo. Esto induce una corriente, generando electricidad. Mientras tanto, en el cátodo, el aire se introduce en el sistema y se combina con un catalizador, iones de hidrógeno y electrones para producir calor y agua como subproductos.

Tipos de pilas de combustible

El principio fundamental de la pila de combustible fue propuesto por primera vez por Sir William Grove en 1838, y desde entonces se han desarrollado muchas variaciones de aquella pila de combustible. Aquí destacamos algunas de las pilas de combustible más relevantes y sus respectivas aplicaciones.

Pilas de combustible alcalinas (AFC)

Las pilas de combustible alcalinas son las pilas de combustible comercializadas más antiguas, inventadas por primera vez por Francis Bacon en 1932. Los AFC contienen electrodos porosos saturados con una solución alcalina que están separados por un electrolito de hidróxido. Dado que son muy sensibles al CO2, sus reacciones utilizan oxígeno puro o aire muy purificado. Éstas son famosas por su empleo por parte de la NASA en la década de 1960 para generar electricidad y agua para la tripulación de los programas Apollo y Space Shuttle. Debido a que están tan bien desarrolladas, las pilas de combustible alcalinas son actualmente la variante más barata de fabricar.

Pilas de combustible de óxido sólido (SOFC)

Las celdas de combustible de óxido sólido contienen una capa de electrolito de cerámica sólida que se calienta a temperaturas muy altas (1000 ° C) y conduce iones de oxígeno. Su uso principal es en sistemas de generación de energía estacionarios para pequeñas aplicaciones residenciales y comerciales. Si bien las SOFC son compatibles con muchos tipos de combustible y ofrecen estabilidad a largo plazo, la alta temperatura de funcionamiento plantea desafíos en términos de compatibilidad de materiales y tiempos de puesta en marcha prolongados.

Pilas de combustible de membrana de intercambio de protones (PEMFC)

Las pilas de combustible de membrana de intercambio de protones utilizan una membrana electrolítica especial que conduce protones entre el ánodo y el cátodo. Las PEMFC tienen mayor densidad de potencia, menor peso y menor volumen que otras celdas de combustible, lo que los hace ideales para aplicaciones de vehículos y transporte, además de aplicaciones estacionarias. Se trata de un desarrollo relativamente nuevo y los esfuerzos de investigación se centran en aumentar la viabilidad mediante la disminución de costes y el aumento de la eficiencia.

Pila de combustible de membrana de intercambio de protones 

Pilas de combustible de carbonato fundido (MCFC)

Las pilas de combustible de carbonato fundido funcionan a altas temperaturas como las SOFC, aunque utilizan un electrolito de mezcla de sales de carbonato fundido. Las MCFC se están desarrollando para aplicaciones industriales, militares y de servicios eléctricos.

Pilas de combustible de ácido fosfórico (PAFC)

Las celdas de combustible de ácido fosfórico han utilizado ácido fosfórico como electrolito desde su introducción en 1961. Estas celdas se utilizan principalmente en aplicaciones de generación de energía estacionaria, particularmente aquellas dentro de un rango de potencia de salida de 100-400 kW. Una ventaja es su capacidad para manejar altos niveles de impurezas en comparación con las PEMFC.

Más sobre vehículos eléctricos de pila de combustible

Los vehículos eléctricos con pilas de combustible (FCEV) son un área importante en desarrollo, que aparece con frecuencia en los medios de comunicación. Estos vehículos operan con energía generada por celdas de combustible en lugar de la tecnología estándar de motores de combustión. Los FCEV como el Toyota Mirai tienen rangos de conducción competitivos en comparación con los vehículos eléctricos y son muy rápidos de recargar. Sin embargo, se deben superar algunos desafíos antes de que los FCEV puedan escalar de manera efectiva: precios altos e infraestructura de hidrógeno insuficiente (estaciones de repostaje de hidrógeno).

¡Un dato curioso! El 8 de octubre es el Día Nacional del Hidrógeno y las Pilas de Combustible en Estados Unidos. La fecha se eligió en función del peso atómico del hidrógeno: 1,008 amu.

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