Pilas de combustible en términos simples

Las pilas de combustible son una tecnología innovadora que revolucionará la forma en que el mundo genera electricidad. Apodadas la “batería del futuro”, son una alternativa limpia y altamente eficiente a los sistemas tradicionales basados en combustión, como el motor de combustión interna (ICE).

¿Qué es una pila de combustible?

Piense en las pilas de combustible como un tipo especial de batería. El objetivo final de una batería y una pila de combustible es el mismo: generar electricidad para proporcionar energía a una aplicación. La principal diferencia entre los dos es de dónde proviene la energía.

Piense en las baterías como un recipiente de almacenamiento precargado. Ya tienen electricidad almacenada en su interior, lista para usar y no requieren ninguna fuente de combustible adicional.

Las pilas de combustible son todo lo contrario. No almacenan electricidad, la crean. Las pilas de combustible generan electricidad mediante una reacción química, convirtiendo directamente la energía de una fuente de combustible en energía eléctrica. Esa electricidad luego se puede utilizar para alimentar sus aplicaciones.

Por ejemplo, las pilas de combustible de membrana de intercambio de protones (PEM) son el foco actual de los vehículos de pila de combustible (FCV). Las pilas de combustible PEM utilizan combustible de hidrógeno para generar electricidad. Esa electricidad se alimenta a una batería, que luego alimenta un motor eléctrico para impulsar el vehículo en movimiento.

Partes de una pila de combustible

Si bien las pilas de combustible constan de varias capas de materiales variados, hay tres partes clave que debes conocer:
• Membrana de electrolito
• Capas de catalizador (ánodo y cátodo)
• Capas de difusión de gas

Estos tres componentes forman el conjunto de electrodos de membrana (MEA) de la pila de combustible. A veces llamado "el corazón" de la célula, el MEA es donde se produce la electricidad o la energía. Independientemente del tipo, una pila de combustible siempre tendrá un ánodo, un cátodo y una membrana de electrolito. La diferencia es de qué material está hecha la membrana del electrolito.

La membrana del electrolito.

La membrana separa las dos capas de catalizador. Actúa como guardián de la pila de combustible. Su trabajo es permitir que solo las partículas cargadas positivamente necesarias pasen de un lado del catalizador al otro mientras bloquea el cruce de las partículas cargadas negativamente. De este componente también proviene el nombre de las pilas de combustible. Una pila de combustible con una membrana de electrolito polimérico se denomina pila de combustible PEM.

Las capas de catalizador

Una pila de combustible tiene dos capas de catalizador. Cada capa consta de un revestimiento de electrodo de material catalizador. La membrana está intercalada entre ellos. De un lado hay un electrodo negativo (ánodo) y del otro, un electrodo positivo (cátodo). La capa anódica absorbe el combustible y lo separa en protones y electrones. La capa catódica absorbe oxígeno y lo convierte, protones y electrones en agua y calor.

Capas de difusión de gas (GDL)

Mientras el ánodo y el cátodo cumplen sus funciones, los GDL se ubican fuera de las capas del catalizador para difundir los gases del proceso químico y eliminar el agua producida. Los GDL ayudan a prevenir la acumulación excesiva de agua y ayudan a equilibrar la retención y la liberación de agua. Se necesita retención de agua para mantener la conductividad de la membrana y se requiere liberación de agua para mantener abiertos los poros de los GDL para que el hidrógeno y el oxígeno puedan difundirse hacia los electrodos.

Este gráfico ilustra la estructura fundamental de un átomo de hidrógeno, el elemento más simple y abundante del universo. El átomo consta de tres componentes principales: un único protón en el núcleo, representado como una esfera verde cargada positivamente en el centro; un electrón solitario, representado por una esfera azul cargada negativamente que orbita alrededor del núcleo en una trayectoria circular; y el espacio vacío que rodea el núcleo, simbolizado por un fondo transparente. — Un ion es un átomo que lleva una carga eléctrica. Un átomo de hidrógeno está formado por un protón cargado positivamente y un electrón cargado negativamente. Un ion hidrógeno se forma cuando un átomo de hidrógeno pierde su electrón. Una pila de combustible separa el electrón del átomo de hidrógeno para convertirlo en un ion cargado positivamente.

Cómo las pilas de combustible generan electricidad

Dentro de la celda ocurre una serie de reacciones químicas para separar los electrones de las moléculas de combustible para generar electricidad. En el caso del hidrógeno, el gas hidrógeno se introduce en la pila de combustible por el lado del ánodo, mientras que el oxígeno se introduce en el cátodo. En el ánodo, las moléculas de hidrógeno se separan en protones y electrones. Las partículas positivas y negativas recorren entonces dos caminos diferentes.

Una ilustración sencilla de una pila de combustible que muestra su ánodo, cátodo y electrolito.

Los electrones viajan a un circuito eléctrico externo antes de continuar hacia el cátodo. El circuito externo es donde se crea un flujo de electricidad. Las partículas positivas pasan a través de la membrana hasta el cátodo. Una vez allí, los protones se reúnen con los electrones y reaccionan con el oxígeno para producir agua y calor.

¿Por qué las pilas de combustible como alternativa al ICE?

La falta de combustión es un gran atractivo para invertir y adoptar tecnologías de pilas de combustible. Mientras que los motores ICE y las centrales eléctricas tradicionales requieren combustión para convertir el combustible en energía, una pila de combustible no. Convierte el combustible en electricidad mediante un proceso electroquímico no combustible. Debido a que no hay combustión, no se asocian emisiones nocivas con la producción eléctrica. Los únicos subproductos son agua pura y calor.

Debido a que pueden proporcionar energía limpia para diversas aplicaciones, las industrias están recurriendo a las celdas de combustible mientras buscan adoptar tecnologías que las lleven hacia sus objetivos de emisiones. Las pilas de combustible ya están haciendo avanzar la industria del transporte comercial al impulsar camiones pesados, autobuses, ferrocarriles y embarcaciones marinas. Industrias, empresas de servicios públicos e instituciones como centros de datos, hospitales y universidades también dependen de las pilas de combustible. Estas aplicaciones estacionarias incluyen energía de respaldo, reducción de picos y generación de energía portátil y auxiliar.

Con la crisis climática en la mente de todos, las industrias están ansiosas por cambiar a soluciones energéticas más respetuosas con el medio ambiente. Las pilas de combustible son una solución muy prometedora, pero hay una razón por la que se las llama la "batería del futuro". Se han logrado avances en los últimos 20 años, y se necesitan más avances antes de que los semirremolques propulsados por celdas de combustible circulen por todas las carreteras. Pero en Accelera™ by Cummins, estamos seguros de que lo lograremos. Estamos invirtiendo activamente en pilas de combustible PEM para el transporte de vehículos comerciales y la energía estacionaria, creyendo que son una solución vital que acelerará el cambio hacia cero emisiones.

Después de todo, las pilas de combustible ayudaron a enviar a los primeros humanos a la luna en 1969. Entonces, si la NASA puede hacerlo, ¿por qué nosotros no?

¿Quiere ver ejemplos del mundo real de pilas de combustible en acción? Vea estos proyectos de demostración: