- ¿Cómo funciona una pila de combustible?
- ¿Cómo se fabrican las pilas de combustible?
- El platino en las pilas de combustible
- Tecnologias de pilas de combustible
- Casos de uso y aplicaciones de las pilas de combustible
- Pros y contras: pilas de combustible, baterías, motores de combustión
- ¿Son seguras las pilas de combustible?
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¿Cómo funciona una pila de combustible?
Una pila de combustible es un dispositivo que convierte la energía química del hidrógeno en electricidad mediante una reacción electroquímica. Las pilas de combustible se pueden utilizar como fuente de electricidad para una amplia gama de aplicaciones, incluyendo vehículos, generadores de energía portátiles y sistemas de energía estacionarios.
Los componentes básicos de las pilas de combustible son un ánodo, un cátodo y una membrana electrolítica. El gas hidrógeno se suministra al ánodo, donde se divide en protones y electrones. Los protones atraviesan la membrana electrolítica, mientras que los electrones se ven obligados a viajar por un circuito externo, creando una corriente eléctrica. En el cátodo, los protones y electrones se reúnen con el oxígeno del aire para producir agua y calor como subproductos.
¿Cómo se fabrican las pilas de combustible?
La composición y los materiales utilizados para fabricar tipos específicos de pilas de combustible dependen en gran medida del tipo de combustible y oxidante utilizados para generar energía eléctrica. En principio, todas las pilas de combustible constan de ánodo, cátodo y electrolito. Éstos se diseñan en múltiplos, en conjuntos de capas finas, generalmente utilizando una membrana. La idea es maximizar la superficie que permite que se produzca la reacción química. Las membranas están hechas de un material adaptado a tipos específicos de pilas de combustible, en función del combustible utilizado – por lo tanto, en función de la reacción química real que tiene lugar.
El platino en las pilas de combustible
El platino desempeña un papel importante en la ingeniería de las pilas de combustible. Este metal inerte se utiliza a menudo como catalizador en las pilas de combustible, en particular en las de membrana de intercambio de protones (PEM), para facilitar las reacciones electroquímicas que se producen en el ánodo y el cátodo. El revestimiento de membrana de platino de las pilas de combustible representa un catalizador eficaz debido a su gran área de superficie y a su capacidad para facilitar la transferencia de electrones entre las moléculas de hidrógeno y las moléculas de oxígeno.
Sin embargo, el platino también es un recurso relativamente caro y escaso, por lo que la investigación actual sobre pilas de combustible se centra en reducir la cantidad de platino que se utiliza en ellas, lo que incluye:
- Uso de catalizadores alternativos: los investigadores están explorando el uso de catalizadores alternativos, como el cobalto, el hierro y el níquel, que pueden realizar las mismas funciones que el platino, pero a un menor costo.
- Desarrollo de nuevos materiales para catalizadores: los investigadores también están trabajando en el desarrollo de nuevos materiales para catalizadores que sean más eficientes y requieran menos platino.
- Desarrollo de nuevos diseños de catalizadores: los investigadores están investigando nuevos diseños de catalizadores que puedan funcionar de manera más eficiente y requieran menos platino.
En general, es probable que el uso del platino en las pilas de combustible siga siendo un tema de investigación y desarrollo, ya que los ingenieros se esfuerzan por mejorar la eficiencia y la rentabilidad de las tecnologías de pilas de combustible.
Tecnologías de pilas de combustible
La química de las pilas de combustible es el eje central del diseño de las mismas. Cada diseño se basa fundamentalmente en una reacción electroquímica específica de las pilas de combustible (con excepción de las denominadas pilas de combustible microbianas o biopilas enzimáticas).
Ejemplo: Placa bipolar de pilas de combustible
¿Cómo generan electricidad las pilas de combustible?
Todos los tipos de pilas de combustible generan electricidad mediante procesos electroquímicos que transforman una sustancia gaseosa en subproductos residuales y liberan electrones.
La corriente eléctrica se genera como resultado de una reacción química con el oxígeno contenido en el aire. En general, las pilas de combustible se distinguen por el tipo de combustible que utilizan. La pila de combustible alimentada por hidrógeno es hoy el tipo de pila de combustible más utilizado.
Tipos de pilas de combustible
Existen varias tecnologías de pilas de combustible diferentes y algunas de ellas utilizan una variedad de combustibles. Algunas tecnologías de pilas de combustible utilizan gas natural o metanol. Pero hoy en día, el hidrógeno es el combustible más común utilizado en las pilas de combustible debido a su alta densidad energética y propiedades de combustión limpia. Como resultado, las tecnologías de pilas de combustible de hidrógeno son las más frecuentes en la actualidad.
Algunos ejemplos de tecnologías de pilas de combustible con los respectivos tipos de combustible utilizados:
- Celdas de combustible PEM “Proton Exchange Membrane”: utilizan hidrógeno
- Tecnología de celdas de combustible de óxido sólido: pueden utilizar hidrógeno, gas natural u otros combustibles
- Celdas de combustible de ácido fosfórico: utilizan hidrógeno
- Celdas de combustible alcalinas: utilizan hidrógeno u otros combustibles como metanol o etanol
- Celdas de combustible de carbonato fundido: pueden utilizar hidrógeno, gas natural u otros combustibles
- Celdas de combustible de metanol directo: utilizan metanol como combustible
- Celdas de combustible regenerativas: pueden utilizar hidrógeno, gas natural u otros combustibles
Casos de uso y aplicaciones de las pilas de combustible
El uso de las pilas de combustible se extiende desde diversas soluciones de movilidad con hidrógeno hasta multitud de aplicaciones de generación de energía con pilas de combustible.
La estandarización de los componentes y el diseño modular hacen que la tecnología de las pilas de combustible sea universalmente aplicable en todo tipo de escenarios de generación de energía que se encuentran en nuestras modernas economías industrializadas.
Pros y contras: pilas de combustible, baterías, motores de combustión
Eficiencia de las pilas de combustible
Las pilas de combustible pueden ser más eficientes que los motores de combustión en determinadas circunstancias. Tienen una mayor eficiencia de conversión de energía que los motores de combustión interna, lo que significa que pueden convertir una mayor parte de la energía almacenada en el combustible en trabajo útil.
¿Son las pilas de combustible más eficientes que los motores de combustión o las baterías?
Es importante tener en cuenta que la eficiencia global de un sistema de pilas de combustible depende de una serie de factores, como el tipo de pila de combustible, las condiciones de funcionamiento y el uso de la electricidad producida. En algunos casos, las pilas de combustible pueden no ser tan eficientes como otras tecnologías, como las baterías, o los motores avanzados de combustión interna.
¿Son recargables las pilas de combustible?
Por definición, una pila de combustible en sí misma no es “recargable”. Pero algunos diseños combinan baterías y pilas de combustible para maximizar la eficiencia general aprovechando al máximo las características óptimas de ambas tecnologías. La batería actúa como amortiguador y depósito de energía eléctrica generada en condiciones de baja carga o sin carga. El sistema de pila de combustible resultante podría considerarse entonces recargable.
En algunos diseños, el exceso de energía eléctrica generada por la pila de combustible se utiliza para la electrólisis del vapor de agua, que es el subproducto residual del proceso electroquímico de generación de energía. El hidrógeno así generado se almacena para su uso futuro como combustible en la misma pila de combustible.
Comparación - ventajas y desventajas
| Ventajas de las pilas de combustible | Ventajas de las baterías | Ventajas de los motores de combustión |
| Alta densidad de energía | Ligero | Alta densidad de energía |
| Alta energía específica | Alta energía específica | Alto rendimiento |
| Larga vida útil | Larga vida útil | Bajo coste |
| Recarga rápida | Recarga rápida | Ampliamente disponible |
| Cero emisiones | Cero emisiones |
| Desventajas de las pilas de combustible | Desventajas de las baterías | Desventajas de los motores de combustión |
| Alto coste | Baja densidad energética | Altas emisiones |
| Infraestructura compleja | Ciclos de carga/descarga limitados | Eficiencia limitada con cargas bajas |
| Disponibilidad limitada de hidrógeno | Baja energía específica |
Células de combustible – pros y contras en materia de seguridad y medio ambiente
¿Las pilas de combustible son malas para el medio ambiente? La respuesta a esta pregunta es de suma importancia dado que la tecnología de las pilas de combustible se considera la solución óptima para construir una economía sostenible utilizando energías renovables. La respuesta exacta depende del tipo de pila de combustible que se utilice.
En el caso de las pilas de combustible de hidrógeno, el daño al medio ambiente inmediato por las emisiones puede descartarse, ya que esta tecnología sólo emite vapor de agua. Pero la forma en que se produce el combustible de hidrógeno también influye. Si se compara el llamado hidrógeno "gris", obtenido a partir de combustibles fósiles, con el hidrógeno "azul", producido en combinación con tecnologías de captura de carbono, y con el hidrógeno "verde", generado aprovechando tecnologías de energías renovables, sólo se puede responder categóricamente a esta pregunta con un "no" en el caso de la última opción: El hidrógeno verde es el combustible ecológico por excelencia.
¿Son seguras las pilas de combustible?
Será obvio y evidente que la manipulación de combustible gaseoso inflamable como el hidrógeno que se utiliza en pilas de combustible de diversos tipos y diseños requiere sistemas de seguridad sofisticados y específicos. Gestionar los riesgos de las pilas de combustible inherentes a la tecnología es uno de los retos a superar en el curso de su implantación generalizada.
Los peligros de las pilas de combustible se conocen bien y ya se han gestionado de forma pormenorizada, y también en diversas combinaciones, en otras tecnologías e industrias. Los agentes del sector confían en que los retos de ingeniería que plantean los combustibles utilizados y los materiales necesarios puedan superarse para aislar y controlar los peligros para la seguridad.
Última actualización: 15.02.2023