Qué Son Las Pilas De Combustible: Tipos y cómo funcionan

Las pilas de combustible funcionan de forma muy parecida a una batería, excepto que no requieren recarga eléctrica. Una batería almacena todos sus productos químicos en su interior y los convierte en electricidad. Una vez que esos químicos se agotan, la batería de igual forma se agota. Una pila de combustible, por otro lado, recibe las sustancias químicas que utilizan el exterior; por lo tanto, no se agotará.

Las pilas de combustible pueden generar energía casi indefinidamente, siempre y cuando tengan combustible para usar.

🕵🏻  ¿Qué son las pilas de combustible y cómo funcionan?

Las "pilas de combustible" también llamadas "celdas de combustible" producen electricidad a través de una reacción química, pero sin combustión. Convierte el hidrógeno y el oxígeno en agua, y en el proceso también crea electricidad. Es un dispositivo de conversión de energía electroquímica que produce electricidad, agua y calor.

En realidad, sólo hay dos maneras de hacer funcionar un coche moderno. La mayoría de los automóviles que circulan hoy en día utilizan un motor de combustión interna para quemar combustible a base de petróleo, generar calor y empujar los pistones hacia arriba y hacia abajo para impulsar la transmisión y las ruedas.

Los coches eléctricos funcionan de una manera totalmente diferente

En lugar de un motor, dependen de baterías que alimentan con energía eléctrica a los motores eléctricos que accionan las ruedas directamente. Los coches híbridos tienen motores de combustión interna y motores eléctricos y cambian entre los dos para adaptarse a las condiciones de conducción.

Las pilas de combustible son un poco como un cruce entre un motor de combustión interna y la energía de la batería. Al igual que un motor de combustión interna, producen energía usando combustible de un tanque (aunque el combustible es gas hidrógeno presurizado en lugar de gasolina o diesel).

Pero, a diferencia de un motor, una celda de combustible no quema el hidrógeno. En cambio, se fusiona químicamente con el oxígeno del aire para producir agua. En el proceso, que se asemeja a lo que sucede en una batería, se libera electricidad y ésta se utiliza para alimentar un motor eléctrico (o motores) que pueden conducir un vehículo. El único producto de desecho es el agua, ¡y eso es tan puro que se puede beber!

🔍¿Cómo generan electricidad las pilas de combustible?

Lo que sucede en una pila de combustible se llama reacción electroquímica. Es una reacción química, porque implica la unión de dos sustancias químicas, pero también es una reacción eléctrica porque la electricidad se produce a medida que la reacción sigue su curso.

Una pila de combustible tiene tres partes claves similares a las de una batería. Tiene un terminal con carga positiva, un terminal con carga negativa y un químico separador llamado electrolito entre los dos que los mantiene separados.

Así es como una pila de combustible produce electricidad:

• 1.- El gas hidrógeno del tanque alimenta a través de una tubería hasta el terminal positivo. El hidrógeno es inflamable y explosivo, por lo que el tanque tiene que ser extremadamente fuerte.
• 2.- El oxígeno del aire baja por un segundo tubo hasta el terminal negativo.
• 3.- El terminal positivo está hecho de platino, un catalizador de metales preciosos diseñado para acelerar la química que ocurre en la celda de combustible. Cuando los átomos de gas hidrógeno llegan al catalizador, se dividen en iones de hidrógeno (protones) y electrones.

En caso de que estés confundido: los iones de hidrógeno son simplemente átomos de hidrógeno sin sus electrones. Puesto que sólo tienen un protón y un electrón para empezar, un ión de hidrógeno es lo mismo que un protón.

• 4.- Los protones, al estar cargados positivamente, son atraídos al terminal negativo y viajan a través del electrolito hacia él. El electrolito es una membrana delgada hecha de una película especial de polímero (plástico) y sólo los protones pueden pasar a través de ella.
• 5.- Los electrones, mientras tanto, fluyen a través del circuito exterior.
• 6.- Al hacerlo, accionan el motor eléctrico que acciona las ruedas del automóvil. Eventualmente, también llegan al terminal negativo.
• 7.- En el terminal negativo, los protones y electrones se recombinan con el oxígeno del aire en una reacción química que produce agua.
• 8.- El agua sale del tubo de escape en forma de vapor de agua o de vapor.

Este tipo de pila de combustible se llama PEM (muchas personas dicen que significa membrana de intercambio de polímeros o membrana de intercambio de protones porque implica un intercambio de protones a través de una membrana polimérica). Seguirá funcionando mientras haya suministro de hidrógeno y oxígeno. Como siempre hay mucho oxígeno en el aire, el único factor limitante es la cantidad de hidrógeno que hay en el tanque.

Capacidad de las pilas de celdas de combustible

Una sola celda de combustible produce sólo la misma cantidad de electricidad que una sola batería de celda seca, lo cual no es suficiente para alimentar una computadora portátil, y mucho menos un automóvil.

Por eso, las pilas de combustible diseñadas para vehículos utilizan pilas de celdas de combustible conectadas entre sí en serie. La electricidad total que producen es igual al número de celdas multiplicado por la potencia que cada celda produce.

🔋 Tipos de Pilas de Combustible o Celdas de Combustible

• Pila de combustible de óxido sólido (SOFC): Utiliza un óxido sólido (ZrO2) dopado con pequeñas cantidades de óxido de calcio y óxidos de itrio. Su principal ventaja es que puede consumir monóxido de carbono. A diferencia de las celdas PEM, estas pueden funcionar a altas temperaturas (de 600 a 1.000 °C), lo que requiere que sus componentes tengan una buena estabilidad térmica y química. Además, pueden integrarse en ciclos complejos de alto rendimiento en combinación con turbinas de gas. La pila SOFC consta de un electrodo de oxígeno, un electrolito, un electrodo de hidrógeno, interconexiones; para sellar las capas de la célula se utiliza un agente sellante a base de vidrio.
• Pilas de combustible microbianas o de carbonato fundido (MCFC): Estas tienen una característica adicional, ya que utilizan un tanque de bacterias para digerir azúcar, materia orgánica u otro combustible y producen ya sea una corriente eléctrica (que puede ser usada para alimentar un motor) o hidrógeno (que puede alimentar una pila de combustible de la manera habitual).
• Pilas de combustible de metanol directo (DMFC): Estas pilas se han investigado para adaptarlas al metanol (sin reformado). Si estas celdas fueran económicamente viables podrían utilizarse para la tracción de automóviles, pero por el momento, las densidades de corriente obtenidas siguen siendo bajas.
• Pilas de combustible de ácido fosfórico (PAFC): Utiliza un electrolito en forma de gel, funcionan a una temperatura igual a 210°C, para presiones de hasta 6 atmósferas. El PAFC es poco sensible al CO: la batería admite hasta un 1% en volumen. El combustible más utilizado es una mezcla rica en hidrógeno, resultante del reformado del gas natural, mediante técnicas convencionales. Esta pila parece ser la más utilizada para aplicaciones comerciales, y cerca de 200 instalaciones de este tipo (alrededor de 200 kW) están en funcionamiento en varias partes del mundo (EE.UU.: 70 unidades, Japón: 100 unidades, Europa: 23 unidades. Es Comercializada por la empresa estadounidense ONSI Corp. desde hace varios años, resulta especialmente interesante para la cogeneración por su temperatura de funcionamiento de 200°C. unidades).
• Pila de combustible alcalina (AFC): Esta pila es la más antigua desarrollada, fue utilizada para los programas espaciales de la NASA (vuelos tripulados). Trabaja a baja temperatura (60 a 80°C), a presión atmosférica y requiere la presencia de catalizadores “nobles” en el cátodo, pero puede prescindir de ellos en el ánodo. El electrolito está compuesto por potasa en forma acuosa y la batería debe ser alimentada con gases reactivos que no contengan CO (que envenena los catalizadores a base de platino), ni CO2, para evitar cualquier consumo del electrolito por precipitación de carbonatos. Sin embargo, su menor costo y peso que las soluciones ácidas sugieren un buen potencial para aplicaciones estáticas.
• Pila de combustible de membrana de intercambio protónico (PEMFC): Estas celdas son actualmente favorecidas por los ingenieros para la propulsión de vehículos, pero de ninguna manera son el único diseño posible. Así como hay muchos tipos de baterías, cada una usando diferentes reacciones químicas, así también hay muchos tipos de celdas de combustible. Se trata de baterías de electrolito de polímero sólido, a veces denominadas SPFC (célula de combustible de polímero sólido), que funcionan a temperatura ambiente, pero en condiciones óptimas de alrededor de 80 °C para presiones de 1 a 4 atmósferas. Se han desarrollado muchos prototipos para el campo del transporte y empiezan a existir instalaciones de cogeneración basadas en PEMFC, hasta 250 kW. Sus principales ventajas son unos tiempos de arranque casi instantáneos con, a temperatura ambiente, casi dos tercios de la potencia nominal en pocos segundos, lo que los hace compatibles con las necesidades de los vehículos de transporte.

✅ Las principales ventajas de las pilas de combustible son:

• Adaptabilidad a grandes luces, en el caso de movilidad pesada e intensiva
• Alta eficiencia energética
• Bajos costes de mantenimiento
• Repostaje rápido
• Fiabilidad
• Sin emisiones de GEI
• Bajo nivel de ruido (pocas vibraciones)
• Formato compacto
• Longevidad (Larga vida útil)

¿De dónde vendrá todo el hidrógeno?

Durante los últimos 150 años más o menos, prácticamente todos los automóviles han funcionado con un líquido al que llamamos gas de manera bastante confusa. Pero en los próximos 150 años, mucha gente piensa que los automóviles funcionarán con un gas real: el hidrógeno.

En teoría, el hidrógeno es una gran idea: es el elemento químico más simple y común y constituye la gran mayoría (algo así como tres cuartas partes) de toda la materia en el Universo. ¡Mucho para todos, entonces! Pero hay un inconveniente: busca en el aire a tu alrededor y no encontrarás mucho hidrógeno, sólo un litro de hidrógeno por cada millón de litros de aire.

(En términos de volumen, eso es lo mismo que buscar unos dos litros de agua mezclados aleatoriamente en cada piscina olímpica llena). Entonces, ¿de dónde vendrán todas las vastas nubes de hidrógeno para hacer funcionar la flota mundial de automóviles?

Tendremos que hacerlo nosotros mismos a partir del agua, la sustancia mágica que cubre el 70 por ciento de la superficie de la Tierra, está hecha en parte de hidrógeno. Divide el viejo H2O en sus partes y obtendrás H2 (hidrógeno) y O2 (oxígeno). ¿Cómo lo haces tú? ¡Con un electrolizador!

Electrolizadores y electrólisis

Un electrolizador es un aparato electroquímico (algo que utiliza electricidad y química al mismo tiempo) diseñado para realizar la electrólisis: dividir una solución en los átomos desde los que se produce al pasar electricidad a través de ella. La electrólisis fue pionera en el siglo XVIII por el químico británico Sir Humphry Davy (1778-1829), que utilizó una batería primitiva llamada pila voltaica para descubrir una serie de elementos químicos como el sodio y el potasio.

Un electrolizador es un poco como una batería trabajando al revés:

• En una batería, los productos químicos se empaquetan en un recipiente sellado con dos terminales eléctricos que se sumergen en ellos. Cuando se conectan los terminales a un circuito, los productos químicos sufren reacciones dentro del contenedor y producen electricidad que fluye a través del circuito.
• En un electrolizador, se coloca una solución en un contenedor y se sumergen dos terminales en él. Conecta los terminales a una batería u otra fuente de alimentación y pase la electricidad a través de la solución. Se producen reacciones químicas y la solución se divide en sus átomos. Si la solución que utiliza es agua pura (H2O), la encontrará rápidamente dividida en gas hidrógeno (en el electrodo negativo) y gas oxígeno (en el electrodo positivo). Es relativamente fácil recoger y almacenar estos gases para su uso en el futuro.

¿Cómo funciona un electrolizador?

Así es como un electrolizador muy simple produce gas hidrógeno a partir del agua:

1. Una batería conecta el terminal positivo (a veces llamado ánodo) al terminal negativo (o cátodo) a través de un electrolito. En un simple experimento de laboratorio, el electrolito podría ser agua pura. En un electrolizador real, el rendimiento se mejora considerablemente utilizando una membrana de polímero sólido como electrolito, que permite que los iones se muevan a través de él.
2. Cuando se enciende el equipo, el agua se divide en iones de hidrógeno con carga positiva e iones de oxígeno con carga negativa.
3. Los iones de hidrógeno positivos son atraídos al terminal negativo y se recombinan en pares para formar gas hidrógeno (H2).
4. Del mismo modo, los iones de oxígeno negativos son atraídos al terminal positivo y se recombinan en pares para formar gas de oxígeno (O2).

¿Por qué las pilas de combustible tardan tanto en ponerse al día?

La gente ha estado anunciando las celdas de combustible como la siguiente gran cosa en suministros de energía desde la década de 1960, cuando los cohetes espaciales Apolo demostraron por primera vez que la tecnología era práctica.

Cuatro décadas después, casi no hay autos con celdas de combustible en nuestras calles, por una variedad de razones.

En primer lugar, el mundo está preparado para producir motores de gasolina por millones, por lo que son naturalmente mucho más baratos, mejor probados y más confiables. Tu podrías comprar un auto común por unos pocos miles de dólares pero, hasta hace poco, un auto con celda de combustible le habría costado cientos de miles de dólares.

(El Mirai "relativamente asequible" de Toyota finalmente se hizo ampliamente disponible en 2016 a un costo de poco menos de US$60.000, el doble del precio de su Prius híbrido). El costo no es el único problema.

También hay una economía masiva basada en el petróleo para apoyar a los motores de gasolina: hay garajes en todas partes que pueden dar servicio a los automóviles a gasolina y a las estaciones de servicio en todo el lugar para suministrarles combustible.

Por el contrario, casi nadie sabe nada de coches con pila de combustible y prácticamente no hay estaciones de servicio que suministren hidrógeno presurizado. La "economía del hidrógeno" es un sueño lejano.

Es fácil ver cómo podría funcionar un mundo lleno de coches de hidrógeno. Tendríamos muchas fábricas de electrolizadores por todas partes haciendo gas hidrógeno a partir de agua.

Ahora los gases ocupan mucho más espacio que los líquidos o sólidos, así que necesitaríamos convertir el gas hidrógeno en hidrógeno líquido, haciendo más fácil su transporte y almacenamiento, comprimiéndolo a alta presión. Luego transportábamos el hidrógeno a estaciones de servicio ("estaciones de hidrógeno"?) donde la gente podía bombearlo a sus autos, los cuales serían alimentados por celdas de combustible en lugar de motores de gasolina convencionales.

El problema con el hidrógeno

La producción de hidrógeno por electrólisis utiliza energía, y gran parte de ella: tenemos que utilizar la electricidad para dividir el agua. Si utilizamos células solares típicas para proporcionar esa electricidad, podrían tener una eficiencia de alrededor del 10 por ciento, mientras que un electrolizador podría tener una eficiencia del 75 por ciento, lo que daría una eficiencia general miserable de sólo el 7,5 por ciento. Ese es un comienzo bastante pobre, ¡y sólo es el comienzo!

También usamos energía transportando hidrógeno y comprimiéndolo (convirtiendo el gas hidrógeno en un líquido) para que los automóviles puedan llevar suficiente energía en sus tanques para ir a cualquier parte.

Ese es un problema real porque la densidad energética del hidrógeno (la cantidad de energía que transporta por unidad de su volumen o masa) es sólo una quinta parte de la de la gasolina. En otras palabras, necesitarás cinco veces más para llegar tan lejos (asumiendo que el auto de hidrógeno es tan pesado como el auto de gasolina, lo cual puede no ser el caso, porque los autos de gasolina necesitan motores y transmisiones pesados).

Otro problema es que el hidrógeno es difícil de almacenar durante largos períodos de tiempo porque sus moléculas extremadamente diminutas se filtran fácilmente de la mayoría de los contenedores, y dado que el hidrógeno es inflamable, las fugas pueden causar horribles explosiones.

Y luego, por supuesto, están todas las ineficiencias en el extremo opuesto del proceso, cuando un auto con celda de combustible vuelve a convertir el hidrógeno en electricidad para alimentar los motores eléctricos que impulsan sus ruedas.

El hidrógeno no es un combustible

El hidrógeno no es, en sí mismo, un combustible, sino simplemente una forma de transportar combustible producido por algún otro proceso. Así que es mejor compararlo con las baterías (otra forma de empaquetar y transportar energía) que con la gasolina (un combustible genuino).

En total, los coches de hidrógeno de hoy en día son considerablemente menos eficientes que los mejores coches eléctricos que funcionan con baterías y, a menudo, menos eficientes que los vehículos con motor de gasolina o diésel normales.

Podríamos usar células solares para hacer la electrólisis del agua "gratuitamente", pero también podríamos almacenar fácilmente la misma energía en baterías y utilizarlas para alimentar nuestros coches.

Los coches con pila de combustible suenan prometedores, pero si los coches con pila de combustible son realmente mejores, el hidrógeno puede resultar ser una costosa distracción del importante negocio de cambiar el mundo de los combustibles fósiles a las energías renovables.

Todos estos problemas, resumidos, explican por qué a los defensores de los automóviles a batería como Elon Musk de Tesla les gusta burlarse de los automóviles de hidrógeno como "vehículos de células tontas".

¡Pero el hidrógeno también tiene sus ventajas!

Entonces, ¿por qué la gente sigue persiguiendo las pilas de combustible? Porque, según sus partidarios, tienen numerosas ventajas sobre otras tecnologías de energía eléctrica.

Cuando la carga de un coche a batería puede llevar desde media hora hasta una noche entera, se puede repostar un coche de hidrógeno en sólo cinco minutos, tan rápido como llenar el depósito de gasolina de un coche normal.

El campo de prácticas de los coches a batería también ha sido un punto de discusión. Los modelos actuales ahora afirman que pueden conducir cientos de kilómetros o millas entre cargas, pero no todos ellos lo logran; depende de cuánta energía uses para otras cosas mientras conduces; y el alcance sufre a medida que tu batería envejece.

Los automóviles con pila de combustible, por el contrario, tienen un alcance muy similar al de los vehículos a gas ordinarios, aunque su rendimiento se degrada a medida que envejecen. Donde las tecnologías de baterías funcionan mejor en los coches pequeños, las pilas de combustible son igualmente buenas para los vehículos más grandes y los camiones.

Algunas de estas cosas pueden cambiar con el tiempo a medida que las dos tecnologías rivales - celdas de combustible de hidrógeno y baterías recargables - se desarrollan y maduran.