Especiales Tecnociencia  
Febrero 2005
Especial Pilas de combustible de hidrógeno

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Descripción

Las pilas de combustible son sistemas electroquímicos en los que la energía de una reacción química se convierte directamente en electricidad. A diferencia de la pila eléctrica o batería, una pila de combustible no se acaba ni necesita ser recargada; funciona mientras el combustible y el oxidante le sean suministrados desde fuera de la pila. Una pila de combustible consiste en un ánodo en el que se inyecta el combustible —comúnmente hidrógeno, amoníaco o hidrazina— y un cátodo en el que se introduce un oxidante —normalmente aire u oxígeno. Los dos electrodos de una pila de combustible están separados por un electrólito iónico conductor.

Su principio de funcionamiento es inverso al de una electrólisis. Por ejemplo, en la electrólisis del agua, se separa este compuesto en sus dos componentes, hidrógeno y oxígeno, mientras que en una pila de combustible se obtendría una corriente eléctrica por medio de la reacción entre estos dos gases:

Diagrama de la reacción

El sistema opera con dos tipos de gases, combustible y oxidante, que pasan a través de las superficies del ánodo y cátodo opuestas al electrolito, respectivamente, y generan energía eléctrica por oxidación electroquímica del combustible, generalmente hidrógeno, y la reducción electroquímica del oxidante, normalmente oxígeno.
Se transforma entonces la energía química, almacenada en el enlace H-H de la molécula H2, en energía eléctrica y vapor de agua.
Este concepto nuevo ofrece ventajas sustanciales sobre la tecnología clásica de combustión, no solamente por el aumento de la eficiencia hasta niveles de 30-40% sino también porque la única emisión producida es vapor de agua. De forma global, los automóviles que utilizan H2 como combustible son 22% más eficientes que los movidos por gasolina.

Diagrama funcionamiento pilas de combustible

Las pilas de combustible están constituidas por un conjunto de celdas apiladas, cada una de las cuales posee un ánodo o electrodo negativo y un cátodo o electrodo positivo, separados por un electrolito que facilita la transferencia iónica entre los electrodos. Cada una de las sustancias que participan en la reacción es alimentada a un electrodo distinto. Así, el combustible, generalmente rico en hidrógeno, es alimentado de forma continua al ánodo, y el oxidante, normalmente el oxígeno del aire, al cátodo. Allí los reactivos se transforman electroquímicamente, de acuerdo con las semirreacciones:

Diagrama de la reacción

Se genera de esta forma una corriente eléctrica entre ambos electrodos que, a diferencia de lo que ocurre en una pila o batería convencional, no se agota con el tiempo de funcionamiento, sino que se prolonga mientras continúe el suministro de los reactivos.

El rendimiento de la reacción viene determinado por la ecuación de Nernst:


Ecuación de Nernst

Donde Eo (1.229 V) es el potencial estándar, R la constante de los gases (8.31 J/Kmol), T la temperatura absoluta (K) y F la constante de Faraday (96.480 J/Vmol).

El rendimiento real de la pila puede calcularse considerando las siguientes pérdidas:

- polarización por concentración
- polarización por activación
- polarización óhmica

Dependiendo del tipo de pilas de combustible, se obtienen eficacias entre un 35 % hasta un 60 %. El problema actual reside en la duración de las pilas y en los costes. Aunque las pilas de combustible se conocen hace más de 150 años, sólo en las últimas dos décadas han sido reconocidas como una de las tecnologías más prometedoras de producción de energía. El Programa del Departamento de Energía de los Estados Unidos junto con instituciones de otros países, llevan inviertiendo desde hace tiempo en estas tecnología. No obstante, aun se está investigando en la resolución de aspectos técnicos que afectan a la corrosión y fiabilidad de algunos de los componentes.

Los sistemas de pilas de combustible se caracterizan por sus reducidas emisiones. Si solo se utiliza hidrógeno (derivado de fuentes renovables) como combustible en las celdas, se obtendrá vapor de agua y electricidad . La utilización de hidrocarburos para la producción de hidrógeno eliminaría prácticamente las emisiones de óxidos de nitrógeno y monóxido de carbono. Considerando que sus eficacias son potencialmente superiores a las de los motores de combustión interna, las emisiones de dióxido de carbono se verían además reducidas.

Las pilas de combustible pueden ofrecer la respuesta a diversos requerimientos energéticos. La eficacia de estos dispositivos no depende del tamaño como sucede en otros sistemas energéticos. Este hecho permite su aplicación en sistemas de energía miniaturizados y portátiles. Su eficacia es potencialmente superior a cualquier otro sistema, haciendolas particularmente atractivas para aplicaciones estáticas de alta o baja energía. Además, las celdas de combustible suponen actualmente una esperanza real dentro del mercado del transporte.

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Fuentes: