¿Qué son las pilas de combustible?

Las pilas de combustible son como baterías, pero que no se agotan ni necesitan recargarse de nuevo y que además de electricidad producen calor y agua mientras que se le suministre el combustible que usan. Los reactivos se encuentran almacenados fuera de la pila, de forma que la pila producirá trabajo siempre que haya un flujo de reactivos.

En sí mismas son reactores electroquímicos donde la energía química se transforma en electricidad sin que medie ningún proceso de combustión. Al no producirse una reacción de combustión, se evita la contaminación propia de los sistemas de obtención de energía eléctrica tradicionales.

Otra ventaja es que las pilas de combustible al igual que las baterías son de carácter modular, permitiendo un amplio intervalo de potencias.

El mayor obstáculo de las pilas de combustible hoy en día es el coste, ya que estas aún no pueden competir económicamente con tecnologías más tradicionales de energía, aunque se están produciendo rápidos avances técnicos. Otro problema es que aunque el hidrógeno es el elemento más abundante del universo, es difícil de almacenar y distribuir.

¿Cómo funciona una pila combustible?

Las partes de las pilas de combustible son básicamente un electrodo negativo o ánodo, otro positivo o cátodo e intercalado entre ambos un electrolito, este último es un material que permite el paso de iones (átomos cargados positiva o negativamente), pero que no deja pasar los electrones los cuales son conducidos para generar la electricidad.

El combustible (hidrógeno, metanol…) alimenta el ánodo y el aire alimenta el cátodo. Activado por un catalizador, el hidrógeno se separa en protones y electrones, que siguen distintos caminos hasta el cátodo. Los electrones atraviesan un circuito externo, lo que crea un flujo de electricidad. Los protones migran a través del electrolito hasta el cátodo, donde se encuentran con el oxígeno produciendo agua y calor.

A continuación se muestra una de las reacciones químicas más simples, que es la que hace funcionar la pila de hidrógeno, donde hidrógeno y oxígeno se combinan para formar agua, creando energía eléctrica y calor.

Tipos de pilas de combustible

Hay diferentes tipos de pilas de combustible, basado principalmente en el tipo de electrolito que utilizan y también en el combustible, que puede ser diesel o metanol, mientras que el dióxido de aire, el cloro, puede servir como oxidante. Sin embargo, en la actualidad, la mayoría de las pilas de combustible se basan en hidrógeno y oxígeno.

• Membrana polimérica (PEM) o de  membrana de intercambio de protones

Las PEM (Polymer Electrolyte Membrane ) usan como electrolito un polímero sólido y electrodos porosos de carbono que contienen platino como catalizador. Necesitan hidrógeno y oxígeno, trabajan a bajas temperaturas y son ligeras, por ello su uso principal se presenta en el sector del transporte. Pueden variar rápidamente su producción para satisfacer la demanda de energía demandada. Este tipo son las más adecuadas para alimentar vehículos. También pueden emplearse en estaciones de producción de energía.

• Pilas de Metanol Directo (DMFC):

Las DMFC (Direct-Methanol Fuel Cells) son similares a las pilas PEM en cuanto a que usan un polímero de membrana como electrolito, pero en este caso usan metanol sobre el ánodo, lo que elimina la necesidad de que el combustible pase por un reformador. Las pilas de metanol directo son interesantes para alimentar dispositivos electrónicos portátiles, como ordenadores portátiles o cargadores de baterías.

• Pilas de combustible de carbonato fundido (MCFC):

Las MCFC (Molten Carbonate Fuel Cells) usan una sal de carbonato fundido inmovilizada en una matriz porosa como electrolito. Se están usando en instalaciones de producción de energía medianas o grandes y tienen una alta eficiencia. Su alta temperatura de funcionamiento (aproximadamente 600ºC) les permite reformar internamente combustibles tales como el gas natural o el biogás.

• Óxido sólido (SoFC)

Las SOFC usan como electrolito un componente cerámico duro y no poroso. Este tipo de pilas pueden operar a temperaturas  muy altas, hasta unos 1.000ºC, lo que las hace apropiadas para su uso en sistemas estáticos tales como centrales de generación de energía. Estas pilas pueden reformar interiormente gas natural y biogás, y pueden combinarse con motores a gas para producir electricidad con eficiencias del 75%.

• Pilas combustible de amoníaco

Aunque todavía no se hayan popularizado, las pilas de combustible de amoníaco son una realidad que representa una alternativa energética, y no solo para combustibles fósiles. Probablemente, hayas oído hablar sobre el boom del hidrógeno como combustible. Lo que puede que no sepas es que el hidrógeno es una sustancia muy básica de la tabla periódica, pero que requiere unas condiciones muy exigentes de almacenamiento, como una presión muy alta y una temperatura muy baja.

Por su parte, el amoníaco se puede almacenar muy fácilmente a temperatura ambiente y se puede convertir en hidrógeno. Así pues, el amoníaco es un combustible verde (sí, aunque sea letal para nosotros) que se transforma en hidrógeno muy fácilmente mediante un cracker a nivel molecular para, seguidamente, producir electricidad. Las pilas de combustible de amoníaco son una alternativa excelente para vehículos de todo tipo.

La imagen que se muestra es muy interesante, ya que en ella se resumen todas las tipologías de pilas de combustible existentes.

Aplicaciones de las pilas de combustible

Transporte

Las pilas de combustible se utilizan en automóviles y autobuses eléctricos de hidrógeno, ofreciendo una alternativa de cero emisiones a los vehículos de combustión interna. También se usan en camiones y furgonetas eléctricas impulsados por pilas de combustible están siendo para transporte de mercancías

Energía estacionaria

Generación de energía: Se emplean para generar electricidad en aplicaciones estacionarias, como sistemas de respaldo en caso de cortes de energía o para proveer electricidad a zonas rurales o remotas, así como en hogares como fuente de energía para calefacción, agua caliente y suministro eléctrico.

Aplicaciones portátiles

Estas pilas de combustible son de pequeño tamaño y se emplean para alimentar dispositivos electrónicos portátiles, como teléfonos móviles, computadoras portátiles y cámaras, ofreciendo una fuente de energía duradera y recargable. Además, en el campo militar, se integran equipos y sistemas electrónicos para operaciones tácticas y misiones prolongadas.

Industria

En diversas industrias, como la química, petroquímica y siderúrgica con el fin de suministrar energía a procesos productivos o como fuente de alimentación de emergencia en caso de apagones. Otro uso que se le dan es para almacenar y aprovechar la energía generada por fuentes renovables, como la solar y eólica, garantizando un suministro estable y equilibrado.