Una pila de combustible, también llamada célula o celda de combustible es un dispositivo electroquímico de conversión de energía similar a una batería, pero se diferencia de esta última en que está diseñada para permitir el reabastecimiento continuo de los reactivos consumidos; es decir, produce electricidad de una fuente externa de combustible y de oxígeno en contraposición a la capacidad limitada de almacenamiento de energía que posee una batería. Además, los electrodos en una batería reaccionan y cambian según como esté de cargada o descargada; en cambio, en una celda de combustible los electrodos son catalíticos y relativamente estables.

Los reactantes típicos utilizados en una celda de combustible son hidrógeno en el lado del ánodo y oxígeno en el lado del cátodo (si se trata de una celda de hidrógeno). Por otra parte las baterías convencionales consumen reactivos sólidos y, una vez que se han agotado, deben ser eliminadas o recargadas con electricidad. Generalmente, los reactivos "fluyen hacia dentro" y los productos de la reacción "fluyen hacia fuera". La operación a largo plazo virtualmente continua es factible mientras se mantengan estos flujos.

 

Tecnología

En el ejemplo típico de una célula de membrana intercambiadora de protones (o electrolito polimérico) hidrógeno/oxígeno de una celda de combustible (PEMFC, en inglés: proton exchange membrane fuel cell), una membrana polimérica conductora de protones (el electrolito), separa el lado del ánodo del lado del cátodo.

En el lado del ánodo, el hidrógeno que llega al ánodo catalizador se disocia en protones y electrones. Los protones son conducidos a través de la membrana al cátodo, pero los electrones están forzados a viajar por un circuito externo (produciendo energía) ya que la membrana está aislada eléctricamente. En el catalizador del cátodo, las moléculas del oxígeno reaccionan con los electrones (conducidos a través del circuito externo) y protones para formar el agua. En este ejemplo, el único residuo es vapor de agua o agua líquida. Es importante mencionar que para que los protones puedan atravesar la membrana, esta debe estar convenientemente humidificada dado que la conductividad protónica de las membranas poliméricas utilizadas en este tipo de pilas depende de la humedad de la membrana. Por lo tanto, es habitual humidificar los gases previamente al ingreso a la pila.

Voltaje El voltaje de celda depende de la corriente de carga. El voltaje en circuito abierto es de aproximadamente 1.2 voltios; para crear suficiente voltaje, las celdas se agrupan combinándolas en serie y en paralelo, en lo que en inglés se denomina "Fuel Cell Stack" (pila de células de combustible). El número de celdas usadas es generalmente superior a 45 y varía según el diseño.

 

Materiales

Los materiales usados en celdas de combustible varían según el tipo. Véase Tipos de celda de combustible.

Las placas del electrodo/bipolar se hacen generalmente de nanotubos de metal, de níquel o de carbón, y están cubiertas por un catalizador (como el platino o el paladio) para conseguir una eficacia más alta. El electrolito puede ser de cerámica o bien una membrana.

Consideraciones de diseño en las celdas de combustible

• Costes. En 2002, las celdas típicas tenían un coste debido al catalizador de 850 € (aprox. 1000 USD) por kilovatio energía eléctrica útil; sin embargo, se espera que antes de 2007, sea reducida a unos 25 € (aprox. 30 USD) por kilovatio [1]. Ballard ha conseguido, gracias a un catalizador mejorado con seda de carbono (carbon silk), una reducción del 30% (1 mg/cm² a 0,7 mg/cm²) de la cantidad de platino sin una reducción en rendimiento (información de 2005)[2].

Los costes MEA (del inglés Membrane Electrode Assembly, o montaje del electrodo de la membrana) del PEM (membrana intercambiadora de protones) varían según el fabricante. Así, la membrana de Nafion^® de aprox. 400 €/m² utilizada en la membrana PEM de Toyota y 3M está siendo substituida por la membrana de la ITM Power, con un precio alrededor de 4 €/m² (2004). Esta membrana nueva es un hidrocarburo-polímero. Una compañía holandesa que ha realizado grandes inversiones en este terreno está utilizando Solupor^® (un film de polietileno poroso)[3].

 

Tipos de celdas de combustible

 

Vehículos de hidrógeno, barcos, aviones y estaciones de servicio

.

Los submarinos Type 212A, un avanzado diseño alemán no nucleares, utiliza celdas de combustible (desarrolladas por Siemens) para alimentar nueve propulsores y puede mantenerse sumergido durante semanas sin tener que subir a la superficie.

De manera parecida Airbus está desarrollando un prototipo de avión que utiliza esta tecnología.

Tipos de celdas de combustible