Desde hace ya varios años, la energía es la protagonista de los grandes cambios económicos y sociales. Con las revoluciones industriales y las transformaciones que vinieron con ella, se ha potenciado la diversificación energética y la aparición e implementación de nuevas fuentes de energía. Por ello, en los últimos años, la atención se ha centrado en uno de los elementos más abundantes de la naturaleza: el hidrógeno. Este elemento produce cero emisiones y es de elevada eficiencia, lo que lo ha convertido en una grandiosa opción de generación de energía respetuosa con el medio ambiente. En este artículo de Futuro Eléctrico te contaremos qué es la pila de hidrógeno, cómo funciona y cuáles son sus principales aplicaciones.

Tabla de contenidos

¿Qué es una pila de hidrógeno?

pila de hidrógeno

La pila de combustible de hidrógeno —también llamada célula de combustible—es un dispositivo electroquímico que se encarga de convertir la energía química en energía eléctrica a partir de un combustible (hidrógeno) y un comburente o gas reactivo (oxígeno), los cuales producen electricidad y agua en calor y corriente continua.

Esta pilas hacen uso del hidrógeno debido a que este es un portador de energía o vector energético que puede generarse a partir de cualquier fuente de energía y que es de fácil almacenamiento y transporte.

En la actualidad la pila de combustible tiene diferentes aplicaciones y usos, especialmente en la industria del transporte; de estos hablaremos en los siguientes apartados.

Principales características de la pila de hidrógeno

Además de las particularidades mencionadas en el apartado anterior, la pila de hidrógeno cuenta con ciertas características que no solo las diferencian de otras herramientas de generación de energía, sino que aportan preceptos clave sobre su funcionamiento. Entre dichas características se encuentran:

  • La principal función de la pila de hidrógeno es la generación de electricidad mediante la oxidación del combustible que utiliza, es decir, el hidrógeno.
  • A diferencia de las pilas galvánicas, la pila de hidrógeno no incluye baterías o acumuladores, lo que hace que no necesiten recargarse, sino que funcionan a medida que se les surte el hidrógeno, produciendo electricidad de manera indefinida.
  • Su aprovechamiento no genera ningún tipo de residuos nocivos, a diferencia de los motores de combustión interna.
  • Aunque existen diferentes tipos de pilas de hidrógeno, en general, estas se caracteriza por contar con cuatro partes principales: ánodo (polo negativo encargado de conducir los electrones liberados por el hidrogeno), el cátodo (es el polo positivo, encargado de distribuir el oxígeno en la superficie del catalizador y conducir de vuelta a los electrones), electrolito (este material solo conduce los iones cargados positivamente y bloquea los electrones) y el catalizador (permite la reacción química entre el oxígeno y el hidrógeno, permitiendo que se genere electricidad).

Una característica fundamental: Tipos de pilas de hidrógeno

Ahora bien, como última característica de la pila de hidrógeno vale volver sobre los diferentes tipos de estas. Entre ellos se resaltan:

  • Pilas de combustible alcalinas. Estas pilas se caracterizan por utilizar oxígeno muy puro, y su proceso se da a través de electrodos porosos saturados con solución alcalina y separados por un electrolito de hidrógeno. Son ampliamente utilizadas en los vehículos espaciales de la NASA.
  • Pilas de combustible de oxígeno sólido. La capa de electrolito de estas baterías es de cerámica sólida, lo que permite que alcance temperaturas muy altas (1000°C). Son implementadas en sistemas de generación de energía estacionarios, como en residencias y comercios.
  • Pilas de combustible de membrana de intercambio de protones. Implican la utilización de una membrana electrolítica especial que facilita la conducción de protones entre el ánodo y cátodo. Estas son las pilas de hidrógeno para coches más comunes debido a su mayor densidad de potencia, menor peso y volumen.
  • Pila de combustible de carbonato fundido. Utilizan un electrolito con una mezcla de sales de carbonato fundido y también funcionan a altas temperaturas. Se utilizan para aplicaciones industriales y militares.
  • Pilas de combustible de ácido fosfórico. Como su nombre lo indica, estas pilas utilizan el ácido fosfórico como electrolito.

¿Cómo funciona la pila de hidrógeno?

Como ya se ha mencionado, la pila de hidrógeno genera energía a través de reacciones electroquímicas, lo que la convierte en una alternativa limpia y libre de emisiones.

El funcionamiento de estas pilas parte del hecho de que todas las celdas de combustible incluyen un ánodo y un cátodo ubicados a cada lado de un electrolito. El proceso comienza en el ánodo de la celda de combustible, en donde el hidrógeno se divide en protones y electrones. Luego de ello, los protones se mueven al cátodo a través de la membrana, mientras que los electrones avanzan por el circuito externo para producir energía. Ya en el catalizador, se produce la reacción del oxígeno al entrar en contacto con los electrones y protones. De dicha reacción se genera el único residuo del proceso: el agua.

Es importante tener en cuenta que algunas pilas de este tipo utilizan compuestos con una gran cantidad de hidrógeno como metano o metanol, en vez de utilizar hidrógeno puro. Esto hace que su eficiencia sea menor y que sí se generen pequeñas cantidades de dióxido de carbono.

¿Cuánto dura una pila de hidrógeno?

En la actualidad, la duración de la pila de hidrógeno es de aproximadamente 15 años, y en el caso de aquellas implementadas en los coches, tienen la misma duración que la vida útil del vehículo, según los diferentes fabricantes. Sin embargo, diversas investigaciones han realizado diferentes experimentos y estudios para aumentar su durabilidad.

Ventajas y desventajas de las pilas de hidrógeno

pila de hidrógeno

Aunque la pila de hidrógeno supone importantes beneficios en términos de protección medioambiental, cuenta también con otras ventajas que aumentan su importancia en el mundo de las energías renovables, así como algunos retos y desafíos que aún quedan pendientes para aumentar su impacto.

Principales ventajas de la pila de hidrógeno

  • Su construcción es relativamente simple, al igual que lo es su principio de funcionamiento, el cual permite convertir energía química en eléctrica de manera rápida y sencilla.
  • El elemento químico con el que funciona tiene amplia disponibilidad. Esto debido a que el hidrógeno es muy abundante en la naturaleza y se puede encontrar combinado con otros elementos, como el oxígeno o el carbono.
  • La pila de hidrógeno tiene un muy bajo riesgo de errores, anomalías o corrosión. Lo anterior lleva a que requieran de muy poco mantenimiento.
  • La eficiencia de estas pilas es bastante elevada, lo que le permite alcanzar alto rendimiento durante largos periodos de tiempo.
  • Como la energía se crea químicamente y no a través de procesos de combustión, su funcionamiento es bastante silencioso.
  • Debido a que la pila de hidrógeno no precisa recarga, cuentan con un arranque muy rápido.
  • Al ser el hidrógeno un gas liviano, supone una seguridad mayor a la de la gasolina.
  • Las celdas de corriente se pueden combinar en casi cualquier número, lo que aumenta su escalabilidad y la variedad de aplicaciones.

Desventajas y retos de las pilas de hidrógeno

  • Uno de los principales desafíos de la implementación de las pilas de hidrógeno es el alto coste de los materiales de producción de los catalizadores.
  • Aunque su eficiencia es alta, sigue siendo menor a la conseguida al almacenar energía en baterías. Esto teniendo en cuenta que la energía eléctrica se debe convertir en energía mecánica.
  • Para obtener el combustible de hidrógeno, se hace necesario un aporte alto de energía, es decir que se requiere más energía eléctrica para producir el hidrógeno que aquella que produce la misma pila de combustible.
  • En la mayoría de las ocasiones se emplean materiales tóxicos para crear las herramientas, entornos y contextos donde se aprovecha el hidrógeno.
  • La infraestructura disponible para el suministro de hidrógeno sigue siendo muy escaza.

Aplicaciones de las pilas de hidrógeno

Teniendo claras las características, ventajas y desventajas de la pila de hidrógeno, ha llegado el momento de conocer algunas de sus aplicaciones más relevantes. Estas son diversas y hacen parte de varias industrias, entre las que destacaremos el transporte, la generación de energía y la industria espacial y aeronáutica.

Pila de hidrógeno en el transporte

En la actualidad, una de las principales aplicaciones de las pilas de hidrógeno se vincula a la industria del transporte. Las celdas de combustible de hidrógeno han sido ampliamente utilizadas en la automoción de medios de transporte eléctricos, como los coches, los autobuses e, incluso, los barcos.

Vehículos con pila de combustible de hidrógeno

Como se mencionó en el párrafo anterior, una de las innovaciones más relevantes en la actualidad son los vehículos con pila de combustible de hidrógeno, como los coches de hidrógeno. En este tipo de vehículos la electricidad se va generando a medida que el coche la requiere. Esto sucede porque, en vez de almacenar la energía en baterías acumuladoras, se implementan pilas de combustible que procesan constantemente el hidrógeno para producir la electricidad en demanda.

Este hidrógeno se almacena en tanques específicos, desde donde se canaliza a la pila de combustible y allí se añade el oxígeno para producir electricidad. Estos coches cuentan con un tubo de escape a través del que únicamente se libera vapor de agua.

La batería del coche reparte la energía a los motores eléctricos de los que disponga el coche y en la misma se guarda el sobrante de electricidad acumulado.

Generación de energía

Por otro lado, esta tecnología también puede ser implementada en modo estacionario o a gran escala para generar electricidad y calor —actuando como sistema de almacenamiento— para residencias, hospitales o empresas. Cuando las pilas de combustible son estacionarias logran alcanzar altos niveles de potencia, lo que les permitirá alimentar edificios o o ciudades en caso de emergencia. También son ampliamente implementadas como fuentes de respaldo en caso de que se presenten fallas en el suministro principal debido a difíciles condiciones ambientales.

Por otro lado, las pilas de hidrógeno más pequeñas (de bajo consumo) pueden ser implementadas en dispositivos electrónicos portátiles, como los computadores portátiles, los teléfonos móviles y algunos otros sistemas de navegación. Estas pilas han tenido una gran aceptación en este campo ya que ofrecen mayor duración y tiempos de carga más rápidos.

Además, las pilas de hidrógeno también se han implementado en la industria robótica, más específicamente en la construcción y alimentación de robots autónomos.

Espacio y aeronáutica

Por último, pero no menos importante, las pila de hidrógeno ha representado un avance importante en la industria espacial y aeronáutica. Esta industria ha implementado el hidrógeno líquido para la alimentación de cohetes de refuerzo, así como para la alimentación de diferentes dispositivos eléctricos, como las cámaras y los pequeños electrodomésticos.

Además de lo anterior, la industria aeronáutica le apuesta a desarrollar tecnologías que pongan en funcionamiento los primeros aviones propulsados por hidrógeno. En estos casos, más que utilizar las mismas pilas de hidrógeno, el hidrógeno se implementaría directamente como combustible, lo que favorecería la descarbonización de este sector del trasporte.

Palabras finales

A modo de conclusión, vale resaltar que la pila de hidrógeno es una solución cada vez más popular, caracterizada especialmente por su rápido avance. Si bien este desarrollo aún se encuentra en sus primeras etapas, sigue siendo considerado como una fuente de combustible bastante viable, eficiente y sostenible.

Antes de despedirnos de ti queremos preguntarte: ¿conocías sobre la pila de hidrógeno? ¿crees que es el futuro de las energías renovables? ¡Estamos ansiosos por leerte!