Las pilas de combustible son dispositivos electroquímicos que convierten la energía química de los reactivos directamente en electricidad y calor. El dispositivo consta de una capa de electrolito en contacto con un ánodo y un cátodo porosos a cada lado. En la Figura 1 se muestra una ilustración de una celda de combustible con gases reactivos/productos y las direcciones del flujo de conducción de iones a través de la celda.
En una pila de combustible estándar, los combustibles gaseosos se alimentan continuamente al ánodo (electrodo negativo), mientras que un oxidante (oxígeno del aire) se alimenta continuamente al cátodo (electrodo positivo). En los electrodos tienen lugar reacciones electroquímicas para producir una corriente eléctrica. Algunas de las ventajas de los sistemas de pilas de combustible son:
• Una alta eficiencia operativa que no es función del tamaño del sistema.
• Un diseño altamente escalable.
• Hay varios tipos de fuentes potenciales de combustible disponibles.
• Emisiones de gases de efecto invernadero nulas o casi nulas.
• No hay piezas móviles en la pila de pilas de combustible, lo que proporciona un funcionamiento fiable y sin vibraciones. (Puede haber bombas o compresores en algunos subsistemas de plantas de pilas de combustible).
• Capacidad de recarga casi instantánea en comparación con las baterías.
Algunas de las limitaciones comunes a todos los sistemas de pilas de combustible incluyen:
• Tecnología rentable de almacenamiento y suministro de hidrógeno puro producido en masa.
• Es posible que sea necesario considerar la tecnología de reforma del combustible si no se utiliza combustible puro.
• El rendimiento de la pila de combustible puede disminuir gradualmente con el tiempo debido a la degradación del catalizador y al envenenamiento de los electrolitos si no se utiliza combustible puro.
Comparación con baterías
Las pilas de combustible son como las baterías, pero también tienen algunas diferencias significativas. Ambas tecnologías son dispositivos electroquímicos que producen energía directamente a partir de una reacción electroquímica entre el combustible y el oxidante. Algunas de las características únicas de una batería incluyen:
1. Es un dispositivo de almacenamiento de energía.
2. La cantidad máxima de energía disponible se basa en la cantidad de reactivo químico almacenado en la propia batería.
3. Una batería tiene incorporados el combustible y los reactivos oxidantes (almacenamiento a bordo), además de ser un dispositivo de conversión de energía.
4. En una batería secundaria, la recarga regenera los reactivos. Esto implica poner energía en la batería desde una fuente externa.
La pila de combustible es un dispositivo de conversión de energía que puede producir energía eléctrica siempre que el combustible y el oxidante se suministren a los electrodos. La Figura 2 muestra una comparación entre una pila de combustible y una batería.
La vida útil de una batería primaria está limitada debido a lo siguiente:
1. La batería deja de producir electricidad cuando se agotan los reactivos químicos almacenados en la batería.
2. Cuando una batería no se utiliza, se produce una reacción electroquímica muy lenta que limita la vida útil de la batería.
3. La duración de la batería depende de la vida útil del electrodo.
En comparación, una pila de combustible es un dispositivo de conversión de energía donde se suministran los reactivos. Los combustibles se almacenan fuera de la pila de combustible. Una pila de combustible puede suministrar energía eléctrica siempre que se suministre combustible y oxidante. Además, no se producen “fugas” en una celda de combustible y no se produce corrosión de los componentes de la celda cuando el sistema no está en uso.
Comparación con el motor térmico
Un motor térmico también convierte la energía química en energía eléctrica, pero mediante pasos intermedios:
1. La energía química se convierte primero en energía térmica mediante la combustión;
2. A continuación, el motor térmico convierte la energía térmica en energía mecánica; y
3. Finalmente, la energía mecánica se convierte en energía eléctrica mediante un generador eléctrico.
Este proceso energético de varios pasos requiere varios dispositivos para generar electricidad. La eficiencia máxima está limitada por la ley de Carnot porque el proceso de conversión se basa en un motor térmico, que opera entre una temperatura baja y alta. El proceso también involucra piezas móviles, lo que implica que se desgastan con el tiempo. Se requiere un mantenimiento regular de los componentes móviles para el funcionamiento adecuado de los componentes mecánicos. La Figura 3 muestra una comparación entre una pila de combustible y un motor térmico/generador eléctrico.
Dado que las pilas de combustible no tienen piezas móviles durante el funcionamiento, son más fiables que los motores térmicos y producen menos ruido. Esto se traduce en menores costes de mantenimiento, lo que los hace especialmente ventajosos para misiones espaciales y submarinas. Los procesos electroquímicos en las pilas de combustible no se rigen por la ley de Carnot; por lo tanto, no son necesarias altas temperaturas de funcionamiento para lograr una alta eficiencia. Además, la eficiencia de las pilas de combustible no depende en gran medida de la potencia operativa. Es su inherente alta eficiencia lo que hace que las pilas de combustible sean una excelente opción para una amplia gama de aplicaciones, incluidos automóviles, autobuses, electricidad distribuida y sistemas portátiles.