Una pila de combustible puede definirse como un dispositivo electroquímico que transforma directamente y, lo que es más importante, de forma continuada, la energía química almacenada por un combustible en energía eléctrica. 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:

 

 

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 (véase la Fig. 1). 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 semireacciones: 
 

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.

 
Fig. 1.- Principio de funcionamiento de una pila de combustible alimentada con hidrógeno y oxígeno.

 

La reacción global de formación de agua a partir de hidrógeno y oxígeno es espontánea, pero adolece de una cierta lentitud cuando transcurre de forma separada en cada uno de los electrodos. Es por ello que sobre la superficie de los mismos se suelen incorporar catalizadores que aceleran la reacción.

Como se dijo anteriormente, la unidad fundamental, llamada también celda, no es suficiente para aplicaciones prácticas, uniéndose varias de ellas para conseguir la potencia y tensión adecuadas, formando de esta manera una pila de combustible. Las celdas están unidas eléctricamente en serie. Cada cierto número de celdas unitarias se inserta un dispositivo que permite extraer el calor generado por la reacción electroquímica, manteniendo de esta forma la temperatura dentro de los márgenes óptimos para cada tipo de celda. El calor extraído a través del circuito interno de refrigeración es recogido mediante una serie de intercambiadores que lo entregan a un circuito externo, produciéndose en el mismo agua caliente o vapor, dependiendo de la temperatura de funcionamiento de la pila. La energía térmica así obtenida puede emplearse como tal, o bien utilizarse en la generación de una cantidad adicional de energía eléctrica, aumentando así el rendimiento del sistema.

La corriente continua proporcionada por la pila debe ser transformada en corriente alterna apta para el consumo, con una especial atención a los parámetros eléctricos (voltaje, frecuencia, armónicos, etc.) de la red. La parte eléctrica encargada de esta transformación recibe el nombre de sistema de acondicionamiento de energía, y su componente más importante es el inversor, que transforma la corriente continua producida por la pila en corriente alterna.

Puesto que el único combustible admitido por las pilas de combustible es el hidrógeno, gas que no se encuentra libre en la naturaleza, se requiere una etapa química previa para su obtención a partir de sustancias orgánicas que lo contengan. Uno de los procesos adecuados para este fin es el reformado catalítico con vapor de agua, siendo su rendimiento tanto mayor cuanto más alta sea la relación hidrógeno/carbono de la materia prima empleada. El metano contenido en el gas natural es, entre los combustibles disponibles, el que posee una relación hidrógeno/carbono más elevada. Ello convierte a este combustible en el idóneo para el funcionamiento de estos equipos.

Con el objeto de hacer más versátil el funcionamiento de las pilas de combustible, se añaden una serie de equipos auxiliares, que no por ello son menos importantes: sistemas informáticos de gestión y control, condensadores de vapor, sistemas de suministro de gases, calderines, ventiladores, etc. Todas estas partes, junto con las descritas anteriormente, forman lo que se llama una planta basada en una pila de combustible o, sencillamente, una pila de combustible. El esquema general de una planta basada en una pila de combustible aparece representado en la Fig. 2.

 

Fig. 2.- Esquema general de una planta basada en una pila de combustible.

A modo de resumen de todo lo expuesto hasta ahora, podemos afirmar que una pila de combustible es un sistema electroquímico que, alimentado con combustible reformado, proporciona energía eléctrica y agua como productos finales de una reacción que transcurre de forma separada en cada uno de los electrodos. Como subproducto, se obtiene energía térmica.
 

Ventajas e inconvenientes

Las pilas de combustible ofrecen una serie de ventajas respecto de los sistemas tradicionales de producción de energía. Entre las más importantes podemos señalar:
 

• Alta eficiencia energética: Las pilas de combustible no son máquinas térmicas, por lo que su rendimiento no está limitado por el ciclo de Carnot, pudiendo acercarse teóricamente al 100%. Sólo las limitaciones en el aprovechamiento de la energía generada y en los materiales empleados en su construcción impiden alcanzar este valor.
• Bajo nivel de contaminación medioambiental: Al estar sustituida la combustión a alta temperatura de combustibles fósiles por una reacción electroquímica catalizada entre el hidrógeno y el oxígeno, no existe emisión de gases contaminantes (óxidos de nitrógeno y azufre, hidrocarburos insaturados, etc.), con lo que el impacto sobre el medio ambiente es mínimo. Es éste quizás, el aspecto más atractivo de las pilas de combustible.
• Carácter modular: La disponibilidad de las pilas de combustible como módulos independientes supone una ventaja adicional, ya que un cambio de escala en la potencia requerida se consigue fácilmente mediante la interconexión de módulos.
• Flexibilidad de operación: Una pila de combustible puede funcionar a alto rendimiento y sin interrupción en un amplio rango de potencias suministradas. Además, pueden realizarse variaciones rápidas de potencia; por ejemplo, es posible aumentar la potencia de una pila de combustible en un 10% en tan sólo un segundo. En contraste, los sistemas convencionales son muy inflexibles, debiéndose mantener la carga de combustible siempre por encima del 80% para garantizar una correcta operación.
• Admisión de diversos combustibles: Cualquier combustible es apto para ser reformado, con tal de que incluya hidrógeno en su composición. Han sido empleados con éxito combustibles tan dispares como el gas natural, el gasóleo, el carbón gasificado o el metanol.
• Funcionamiento silencioso: se ha estimado que el nivel de ruido a 30 metros de una pila de combustible de tamaño medio es de tan sólo 55 decibelios. Ello sugiere el uso de estos dispositivos para la generación de energía en recintos urbanos.
• Bajo impacto estético: Al no existir tubos de emisión de gases ni torres de refrigeración, el impacto visual de una planta de producción de energía basada en pilas de combustible es mínimo. Se ha llegado incluso a proponer su integración en edificios residenciales.
• Fiabilidad: Los sistemas informáticos de control permiten automatizar el funcionamiento de una pila de combustible, siendo mínima la intervención manual requerida.
• Sencillez de instalación: Las obras de infraestructura son prácticamente innecesarias.

Frente a estas ventajas evidentes, el empleo de pilas de combustible como fuente de energía eléctrica presenta algunas desventajas:
 

1. Tecnología emergente: Determinados problemas aún no resueltos afectan al funcionamiento de las pilas de combustible, especialmente en lo que respecta a su vida útil, lo que repercute en su comercialización.
2. Alto coste: Al tratarse de una tecnología en desarrollo y al existir todavía una baja demanda de unidades, su precio no puede, hoy en día, competir con el de las tecnologías convencionales. Es de esperar que, conforme la demanda se incremente, los precios se vayan equiparando.
3. Sensibilidad hacia los venenos catalíticos: Los electrodos empleados incorporan catalizadores para favorecer el desarrollo de las reacciones electroquímicas. El contacto de estas sustancias con los llamados venenos catalíticos, tales como el monóxido de azufre o los compuestos de azufre, provoca su inactivación irreversible. En la actualidad se trabaja en la sustitución de estos catalizadores por materiales más resistentes.

Clasificación de las pilas de combustible

Las pilas de combustible pueden clasificarse atendiendo a muy diversos parámetros: temperatura de trabajo, tipo de electrolito, tipo de combustible y de oxidante, etc. El parámetro que ha predominado es el electrolito utilizado, que a su vez condiciona la temperatura de operación. De acuerdo con este criterio, las pilas de combustible más prometedoras se clasifican en:
 

Pilas de polímero sólido

Estas pilas emplean como electrolito una membrana de intercambio catiónico que trabaja a una temperatura de 80-100^oC. Cuando se satura de agua, la membrana se vuelve conductora de protones, los cuales son transferidos del ánodo al cátodo.

Su baja temperatura de operación requiere de un sistema de eliminación de calor muy eficiente y del uso de catalizadores. Ello conlleva la exigencia de una alta pureza del hidrógeno alimentado (por ejemplo, está completamente vedada la presencia de monóxido de carbono) trayendo consigo, por lo tanto, un alto costo de producción. A pesar de todo ello, presentan ventajas sustanciales frente a otros tipos de pilas: son de menor tamaño, más ligeras, de arranque más rápido y con una respuesta más rápida a los cambios de carga. Es por ello que se consideran este tipo de pilas de combustible como las primeras candidatas para el suministro de energía en vehículos eléctricos, en sustitución de las baterías recargables.

Pilas de ácido fosfórico

En este tipo de pilas se emplea ácido fosfórico concentrado como electrolito. La temperatura de trabajo debe situarse entre 160^oC y 220^oC. Los electrodos, a su vez, se componen de grafito fibroso con platino dispersado en su interior, el cual actúa como catalizador.

La ventaja de este tipo de pilas es la facilidad con que se recupera el calor residual generado, pudiéndose llegar a rendimientos del 80%. Es decir, proporcionan tanto energía eléctrica como calor a los usuarios. De ahí que los lugares más apropiados para instalar este tipo de tecnologías sean hoteles, hospitales, restaurantes, etc. Se puede decir que son el tipo de pilas de combustible más avanzado de los disponibles hoy en día, tanto desde el punto de vista tecnológico como comercial.

Pilas de carbonato fundido

Como electrolitos utilizan carbonatos de litio y potasio o de litio y sodio, los cuales presentan una elevada conductividad iónica en estado fundido. Las temperaturas de funcionamiento son lógicamente muy elevadas, en torno a 650-700^oC, lo que permite recoger el calor excedente para la generación adicional de electricidad. Se emplean electrodos porosos de níquel u óxido de níquel.

En el cátodo, además del oxígeno, se alimenta dióxido de carbono. Este gas se recupera posteriormente en el ánodo, con el inconveniente que esto plantea de cara a la regulación automática del proceso. Por otro lado, el monóxido de carbono producido durante el reformado del combustible puede ser alimentado directamente a la pila, donde se comporta como un combustible, lo que supone una considerable ventaja

Las aplicaciones de las pilas de carbonato fundido se centran en la generación de energía eléctrica como alternativa a las centrales térmicas. Están consideradas como la segunda generación de pilas de combustible.

Pilas de óxido sólido

Las pilas de óxido sólido emplean materiales cerámicos porosos recubiertos de membranas de óxido de itrio y circonio como electrolitos, los cuales se ven sometidos a altas temperaturas, de hasta 1000ºC, a las cuales adquieren conductividad iónica. El ánodo consiste en una placa compuesta de níquel y óxido de circonio, mientras que el cátodo está formado por un óxido de manganeso y lantano.

Al igual que en el caso de las pilas de carbonato fundido, se puede utilizar el monóxido de carbono residual como combustible, pero en este caso no es necesaria la aportación de dióxido de carbono en el cátodo. Por otro lado, el sistema tolera la llegada hasta el ánodo del combustible sin reformar, por lo que no se requieren catalizadores de reformado de altas prestaciones.

Puesto que en este tipo de pilas el electrolito es sólido, se eliminan los problemas derivados de la corrosión asociada al electrolito, a la vez que se dificulta la difusión de los gases de un electrodo a otro. Asimismo, se mejora la estabilidad dimensional del sistema y se evitan inundaciones en los electrodos. En contrapartida, las altas temperaturas empleadas ocasionan problemas mecánicos en los materiales de la celda.

Los rendimientos en la generación de energía eléctrica alcanzan un 60-65%, sobre todo si se acopla la salida de los gases con una turbina de gas, obteniéndose al mismo tiempo densidades de corriente muy elevadas. Por ello se considera a este tipo de pilas de combustible, junto con las de polímero sólido, como las de mayor interés potencial. En la actualidad, han encontrado una aplicación en la cogeneración industrial de electricidad y calor, sustituyendo ventajosamente a las centrales térmicas basadas en turbinas de gas.