Básicos de las pilas de combustible
A través de este sitio web buscamos materiales históricos relacionados con las pilas de combustible. Hemos construido el sitio para recopilar información de personas ya familiarizadas con la tecnología, como inventores, investigadores, fabricantes, electricistas y comercializadores. Esta sección básica presenta una visión general de las pilas de combustible para los visitantes ocasionales.
| ¿Qué es una pila de combustible? | ¿Cómo funcionan las pilas de combustible? |
| ¿Por qué no puedo salir a comprar una pila de combustible? | |
| Diferentes tipos de pilas de combustible. | |
¿Qué es una pila de combustible?
Una pila de combustible es un dispositivo que genera electricidad mediante una reacción química. Toda pila de combustible tiene dos electrodos llamados, respectivamente, ánodo y cátodo. Las reacciones que producen electricidad tienen lugar en los electrodos.
Todas las pilas de combustible tienen también un electrolito, que transporta las partículas cargadas eléctricamente de un electrodo al otro, y un catalizador, que acelera las reacciones en los electrodos.
El hidrógeno es el combustible básico, pero las pilas de combustible también necesitan oxígeno. Uno de los grandes atractivos de las pilas de combustible es que generan electricidad con muy poca contaminación: gran parte del hidrógeno y el oxígeno utilizados para generar electricidad se combinan finalmente para formar un subproducto inofensivo, el agua.
Un detalle terminológico: una sola pila de combustible genera una cantidad ínfima de electricidad de corriente continua (CC). En la práctica, muchas pilas de combustible suelen estar ensambladas en una pila. Célula o pila, los principios son los mismos.
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¿Cómo funcionan las pilas de combustible?
El objetivo de una pila de combustible es producir una corriente eléctrica que pueda dirigirse fuera de la pila para realizar un trabajo, como alimentar un motor eléctrico o iluminar una bombilla o una ciudad. Debido al comportamiento de la electricidad, esta corriente vuelve a la pila de combustible, completando un circuito eléctrico. (Para saber más sobre la electricidad y la energía eléctrica, visita «Throw The Switch» en el sitio web del Smithsonian Powering a Generation of Change). Las reacciones químicas que producen esta corriente son la clave de cómo funciona una pila de combustible.
Hay varios tipos de pilas de combustible, y cada una funciona de forma un poco diferente. Pero en términos generales, los átomos de hidrógeno entran en una pila de combustible en el ánodo, donde una reacción química les quita sus electrones. Los átomos de hidrógeno están ahora «ionizados» y tienen una carga eléctrica positiva. Los electrones cargados negativamente proporcionan la corriente a través de los cables para realizar el trabajo. Si se necesita corriente alterna (CA), la salida de CC de la pila de combustible debe pasar por un dispositivo de conversión llamado inversor.
Gráfico de Marc Marshall, Schatz Energy Research Center
El oxígeno entra en la pila de combustible por el cátodo y, en algunos tipos de pila (como la ilustrada arriba), se combina allí con los electrones que vuelven del circuito eléctrico y con los iones de hidrógeno que han viajado por el electrolito desde el ánodo. En otros tipos de células, el oxígeno recoge electrones y luego viaja a través del electrolito hasta el ánodo, donde se combina con los iones de hidrógeno.
El electrolito desempeña un papel fundamental. Debe permitir que sólo los iones adecuados pasen entre el ánodo y el cátodo. Si los electrones libres u otras sustancias pudieran viajar a través del electrolito, interrumpirían la reacción química.
Ya sea que se combinen en el ánodo o en el cátodo, juntos el hidrógeno y el oxígeno forman agua, que se drena de la célula. Siempre que una pila de combustible reciba hidrógeno y oxígeno, generará electricidad.
Mejor aún, dado que las pilas de combustible crean electricidad químicamente, en lugar de por combustión, no están sujetas a las leyes termodinámicas que limitan a una central eléctrica convencional (véase «Límite de Carnot» en el glosario). Por tanto, las pilas de combustible son más eficientes a la hora de extraer energía de un combustible. También se puede aprovechar el calor residual de algunas pilas, lo que aumenta aún más la eficiencia del sistema.
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¿Por qué no puedo salir a comprar una pila de combustible?
El funcionamiento básico de una pila de combustible puede no ser difícil de ilustrar. Pero construir pilas de combustible baratas, eficientes y fiables es un asunto mucho más complicado.
Científicos e inventores han diseñado muchos tipos y tamaños diferentes de pilas de combustible en la búsqueda de una mayor eficiencia, y los detalles técnicos de cada tipo varían. Muchas de las opciones a las que se enfrentan los desarrolladores de pilas de combustible están limitadas por la elección del electrolito. El diseño de los electrodos, por ejemplo, y los materiales utilizados para fabricarlos dependen del electrolito. En la actualidad, los principales tipos de electrolitos son el alcalino, el carbonato fundido, el ácido fosfórico, la membrana de intercambio de protones (PEM) y el óxido sólido. Los tres primeros son electrolitos líquidos; los dos últimos son sólidos.
El tipo de combustible también depende del electrolito. Algunas pilas necesitan hidrógeno puro y, por tanto, exigen un equipo adicional, como un «reformador», para purificar el combustible. Otras pilas pueden tolerar algunas impurezas, pero pueden necesitar temperaturas más altas para funcionar con eficacia. En algunas pilas circulan electrolitos líquidos, lo que requiere bombas. El tipo de electrolito también dicta la temperatura de funcionamiento de una célula: las células de carbonato «fundido» funcionan en caliente, tal y como su nombre indica.
Cada tipo de célula de combustible tiene ventajas e inconvenientes en comparación con las demás, y ninguna es todavía lo suficientemente barata y eficiente como para sustituir ampliamente las formas tradicionales de generar energía, como las centrales de carbón, hidroeléctricas o incluso nucleares.
La siguiente lista describe los cinco tipos principales de pilas de combustible. Puede encontrar información más detallada en esas áreas específicas de este sitio.
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Diferentes tipos de pilas de combustible.
Dibujo de una pila alcalina.
Las pilas de combustible alcalinas funcionan con hidrógeno y oxígeno comprimidos. Generalmente utilizan una solución de hidróxido de potasio (químicamente, KOH) en agua como electrolito. El rendimiento es de aproximadamente el 70% y la temperatura de funcionamiento es de 150 a 200 grados C (entre 300 y 400 grados F). La potencia de la célula oscila entre 300 vatios (W) y 5 kilovatios (kW). Las pilas alcalinas se utilizaron en las naves espaciales Apolo para suministrar electricidad y agua potable. Sin embargo, requieren combustible de hidrógeno puro y sus catalizadores de electrodos de platino son caros. Y, como cualquier recipiente lleno de líquido, pueden tener fugas.
Dibujo de una pila de carbonato fundido
Las pilas de combustible de carbonato fundido (MCFC) utilizan compuestos de alta temperatura de carbonatos de sal (como sodio o magnesio) (químicamente, CO3) como electrolito. El rendimiento oscila entre el 60 y el 80%, y la temperatura de funcionamiento es de unos 650 grados C (1.200 grados F). Se han construido unidades con una potencia de hasta 2 megavatios (MW) y existen diseños para unidades de hasta 100 MW. La alta temperatura limita los daños causados por el «envenenamiento» de la célula por el monóxido de carbono y el calor residual puede reciclarse para producir más electricidad. Sus electrocatalizadores de níquel son baratos en comparación con el platino utilizado en otras células. Pero la alta temperatura también limita los materiales y los usos seguros de las MCFC: probablemente serían demasiado calientes para el uso doméstico. Además, los iones de carbonato del electrolito se agotan en las reacciones, por lo que es necesario inyectar dióxido de carbono para compensar.
Las pilas de combustible de ácido fosfórico (PAFC) utilizan ácido fosfórico como electrolito. La eficiencia oscila entre el 40 y el 80 por ciento, y la temperatura de funcionamiento oscila entre 150 y 200 grados C (unos 300 a 400 grados F). Las células de ácido fosfórico existentes tienen una potencia de hasta 200 kW y se han probado unidades de 11 MW. Las PAFC toleran una concentración de monóxido de carbono de aproximadamente el 1,5%, lo que amplía la elección de los combustibles que pueden utilizar. Si se utiliza gasolina, hay que eliminar el azufre. Se necesitan electrocatalizadores de platino y las piezas internas deben ser capaces de soportar el ácido corrosivo.
Dibujo del funcionamiento de las pilas de combustible de ácido fosfórico y PEM.
Las pilas de combustible de membrana de intercambio de protones (PEM) funcionan con un electrolito polimérico en forma de lámina fina y permeable. La eficiencia es de entre el 40 y el 50 por ciento, y la temperatura de funcionamiento es de unos 80 grados C (unos 175 grados F). La potencia de las células suele oscilar entre 50 y 250 kW. El electrolito sólido y flexible no tiene fugas ni grietas, y estas células funcionan a una temperatura lo suficientemente baja como para que sean adecuadas para los hogares y los coches. Pero sus combustibles deben ser purificados y se utiliza un catalizador de platino a ambos lados de la membrana, lo que aumenta los costes.
Dibujo de una pila de óxido sólido
Las pilas de combustible de óxido sólido (SOFC) utilizan un compuesto duro y cerámico de óxidos metálicos (como el calcio o el circonio) (químicamente, O2) como electrolito. La eficiencia es de aproximadamente el 60% y las temperaturas de funcionamiento son de unos 1.000 grados C (unos 1.800 grados F). La potencia de las células es de hasta 100 kW. A temperaturas tan elevadas no es necesario un reformador para extraer el hidrógeno del combustible, y el calor residual puede reciclarse para producir más electricidad. Sin embargo, la alta temperatura limita las aplicaciones de las unidades SOFC y suelen ser bastante grandes. Aunque los electrolitos sólidos no tienen fugas, pueden agrietarse.
Se puede encontrar información más detallada sobre cada tipo de pila de combustible, incluyendo su historia y sus aplicaciones actuales, en las partes específicas de este sitio. También hemos incluido un glosario de términos técnicos, cuyo enlace se encuentra en la parte superior de cada página de tecnología.
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