¿Qué es una pila de combustible?

¿Y cómo funciona?

El principio de la pila de combustible no es nuevo; fue demostrado por primera vez hace más de 150 años por dos investigadores, Christian Friedrich Schönbein y Sir William Grove.

Se basa en una simple reacción química:

Hidrógeno + Oxígeno → Electricidad + Agua + Calor

2 H2 + O2 → 2 H2O

En la pila se produce una reacción redox para crear electricidad y calor. En el ánodo, la molécula de hidrógeno, al entrar en contacto con un catalizador, se descompone y libera electrones que crean la corriente eléctrica. Esto es la oxidación.

2 H2 → 4 H+ + 4 e-

Por otro lado, en el cátodo, el oxígeno, en contacto con los electrones liberados por la reacción anterior, reacciona. Esta es la reducción.

O2 + 4 e- → 2 O-2

Finalmente, los protones de hidrógeno, al llegar al cátodo, se recombinan con los iones de oxígeno y forman agua.

4 H+ + 2 O-2 → 2 H2O

Sin embargo, aunque el principio es sencillo, su aplicación sigue siendo más compleja.

La pila de combustible de hidrógeno (también llamada pila de combustible) convierte la energía de un combustible (hidrógeno) en energía.

¿Cuándo se desarrollaron las pilas de combustible?

La primera pila de combustible se construyó a finales del siglo XIX y tenía una potencia de 1,5 kW. El interés por la pila de combustible se reavivó en los años 30 con los trabajos de Francis T. Bacon. Sustituyó el electrolito ácido por uno alcalino.

La mejora resultante de la eficiencia y la vida útil de la pila de combustible permitió su uso en misiones espaciales. Sin embargo, como la tecnología es demasiado cara, queda confinada a nichos de mercado y ha sido abandonada por la industria.

La aparición de cuestiones ecológicas y el entusiasmo del sector del automóvil a principios de los años 90 reavivaron la investigación sobre esta tecnología.

A partir de entonces, se probaron varios tipos de electrolitos y se utilizaron en diferentes prototipos. La naturaleza del electrolito determina la temperatura de funcionamiento de la batería y, por tanto, su aplicación industrial y la eficiencia del sistema.

¿Cuáles son los diferentes tipos de pilas y sus aplicaciones?

Estos incluyen

Pilas alcalinas

(AFC, pilas de combustible alcalinas): utilizadas principalmente en las misiones espaciales Apolo, su temperatura de funcionamiento está limitada a entre 65°C y 90°C. Puede alcanzar los 250°C bajo presión con un electrolito altamente concentrado. Su eficiencia es de alrededor del 50%.

Pilas de membrana de intercambio de protones

(PEMFC, pila de combustible de membrana de intercambio de protones). Estas células funcionan a bajas temperaturas (por debajo de los 100 °C) con un rendimiento de alrededor del 50%. Tienen la capacidad de arrancar rápidamente, a plena potencia, lo que permite suministrar energía a vehículos e instalaciones de pequeño y mediano tamaño.

Las baterías PEMFC están disponibles en rangos de potencia que van desde unos pocos milivatios hasta varios cientos de kilovatios.

Pilas de ácido fosfórico

(PAFC, pila de combustible de ácido fosfórico). La tecnología PAFC es una de las más avanzadas en términos de desarrollo y comercialización. Funciona entre 180°C y 210°C y puede alimentar instalaciones fijas de varios megavatios. La elevada producción de calor de la célula permite utilizarla para la cogeneración.

Pilas de carbonato fundido

(MCFC, pila de combustible de carbonato fundido). Sus temperaturas de funcionamiento son bastante elevadas, entre 600°C y 700°C. Se utilizan para operar la producción de energía estacionaria de gran tamaño (varias decenas de MW). Tienen un rendimiento bastante elevado que oscila entre el 60% y el 80% según la aplicación.

Pilas de óxido sólido

(SOFC, pila de combustible de óxido sólido). Estas células funcionan a temperaturas muy altas, entre 800°C y 1000°C, lo que mejora considerablemente las reacciones cinéticas. Esto evita la necesidad de utilizar catalizadores de metales raros. Sin embargo, las células tardan más en ponerse en marcha y las altísimas temperaturas del sistema requieren un muy buen aislamiento y componentes muy resistentes a estas temperaturas. Se utilizan principalmente en la generación de energía estacionaria.