¿Cómo funciona una pila de combustible de hidrógeno?

Las pilas de combustible, en particular las de hidrógeno, están suscitando cada vez un mayor interés debido a su capacidad de producir energía eléctrica limpia, prácticamente sin contaminar, y también a las múltiples aplicaciones que tienen como es el caso de los coches de hidrógeno. Pero ¿cómo funciona una pila de combustible? Habréis leído que en una pila de combustible se producen una serie de reacciones entre el hidrógeno y el oxígeno y que como único subproducto se obtiene agua, YA. Pero ¿cómo funciona de verdad? ¿Cuáles son las reacciones que tienen lugar dentro de una pila de combustible? ¿Y con qué elementos cuenta? Bueno pues dado que este es un blog que versa sobre pilas de combustible vamos a intentar explicar como funciona una pila de combustible de hidrógeno. Al ataque…

Una pila de combustible es un convertidor de energía, básicamente lo que hace es transformar la energía química almacenada en unos reactantes en energía eléctrica, de forma que se logra una corriente eléctrica que permite alimentar distintos dispositivos. Por esta regla de tres un motor de combustión interna también sería una pila de combustible, pero eso no es verdad. En un motor de combustión interna se produce una reacción química de combustión, de forma que el combustible (pongamos que hidrógeno) reacciona directamente con el oxidante (pongamos que oxígeno) produciendo agua, CO2 si tocase y liberando calor. Durante este proceso de combustión los enlaces químicos del combustible y el oxidante se rompen y mediante una reconfiguración electrónica (una transferencia de electrones entre las moléculas) se genera el producto que en el caso de hidrógeno y oxígeno será agua. La energía final de los productos (en este caso agua) es menor que la de los reactantes (hidrógeno y oxígeno). Esa diferencia energética es liberada en forma de calor pues a pesar de que existe una reconfiguración de electrones entre las moléculas esta ocurre tan rápidamente, a escala subatómica y en puntos tan cercanos que la única forma de aprovechar esa energía es en forma de calor. Para poder producir energía eléctrica en el caso de un motor de combustión interna, en primer lugar habrá que transformar esa energía térmica en energía mecánica y posteriormente esta ya sí en la ansiada energía eléctrica.

Sin embargo, una pila de combustible es capaz de transformar la energía química almacenada en los reactantes en energía eléctrica sin tener que pasar por las etapas de energía térmica y mecánica, es por ello que su eficiencia es mayor que la del motor de combustión interna. La idea es conseguir recolectar los electrones que se transfieren durante la reconfiguración electrónica que da lugar a los productos y hacerlos pasar por un conductor consiguiendo generar una corriente eléctrica. Para lograr esa transformación directa las pilas de combustible se sirven de reacciones electroquímicas que no es lo mismo que reacciones químicas, mucho cuidado. Vale, bien, pero ¿cómo se consiguen recolectar esos electrones? La clave está en separar las reacciones de liberación de electrones (reacción de oxidación) y la de captación de los mismos (reacción de reducción), de esta forma la transferencia de electrones se produce a través de un largo recorrido. Así pues lo que se hace es separar el suministro del combustible y el oxidante, de forma que los electrones sean liberados al oxidarse el combustible y estos sean conducidos hasta alcanzar el lugar en el que el oxidante se reduce.

Esquema de funcionamiento de una pila de combustible de hidrógeno

Figura 1: Esquema de funcionamiento de una pila de combustible de hidrógeno. Puede verse como las reacciones están separada para permitir el flujo de electrones por un circuito externo.

H2 + 0.5 O2 ↔ H2O  (1)

H2 ↔ 2H+ + 2e  (2)

0.5 O2 + 2H+ + 2e ↔ H2O  (3)

Veamos la ecuación (1), en ella se presenta la combustión del hidrógeno que es la que tendría lugar durante una reacción directa del hidrógeno con el oxígeno. Sin embargo, si esa reacción la separamos en dos que tienen lugar de forma separada (2) y (3) podemos aprovechar el flujo de electrones. La ecuación (2) representa la oxidación del hidrógeno (se liberan electrones), mientras que en la (3) tiene lugar la reducción del oxígeno (se captan electrones). ¿Técnicamente esto como se logra? Vayamos a la Figura 1, esa es la solución más aplicada. Tenemos que el combustible (hidrógeno) se suministra a un electrodo (ánodo) sobre el que hay depositado un catalizador que permite acelerar la reacción de oxidación del combustible. Por otro lado, el oxidante (oxígeno) se suministra a otro electrodo (cátodo) diferente sobre el que también se encuentra un catalizador que permite aumentar la velocidad de la reacción de reducción. Como puede verse, entre ambos electrodos hay una membrana la cual tiene una doble función. Por un lado separar el flujo de reactantes ya que si se mezclasen esto provocaría que ambas reacciones tuviesen lugar sobre ambos electrones y entonces ya la habríamos mangado. En segundo lugar hace las veces de electrolito, lo que quiere decir que tiene iones libres que pueden desplazarse. Habitualmente esta membrana es de tipo PEM (Proton Exchange Membrane) lo que quiere decir que tiene protones (H+) libres. ¿Y por qué es necesario que esta membrana haga de electrolito? Pues porque si atendemos a las reacciones (2) y (3) es necesario que también se produzca un flujo de estas cargas para cerrar el circuito, sino las reacciones no tendrían lugar.

Alimentación de reactantes a una pila de combustible

Figura 2: Alimentación independiente de reactantes a cada electrodo a través de los canales de las placas de suministro.

Ea, pues ya lo tenemos, una pila de combustible, ahora solo hay que unir los electrodos y tendremos un flujo de electrones que podremos aprovechar para por ejemplo alimentar un motor eléctrico como en el caso de los coches que funcionan con pilas de hidrógeno. Evidentemente existen diferentes configuraciones, catalizadores y estructuras, pero todas se basan en el mismo concepto, lograr separar las reacciones de oxidación y reducción.

Pero queda una pregunta por responder, ¿en qué se diferencia una pila de combustible de una batería entonces? Pues bien, una pila de combustible en principio seguirá produciendo corriente eléctrica mientras se le suministren ambos reactantes (combustible y oxidante), a las baterías por el contrario no se les suministra de forma externa los reactantes de ahí su limitada capacidad de producir energía eléctrica. Por tanto, podemos decir que una pila de combustible es un dispositivo que permite transformar de forma directa la energía química almacenada en los reactantes en energía eléctrica por medio de una serie de reacciones electroquímicas y que teóricamente seguirá generando corriente siempre y cuando se mantenga el suministro de reactantes.

Esta entrada participa en la LIV edición del Carnaval de Química, Edición Xenón, alojada en el blog SiempreConCiencia de @MartaI_Soria

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2 respuestas a ¿Cómo funciona una pila de combustible de hidrógeno?

  1. Rafael Gamo Sanchez dijo:

    Todo esto esta bien, pero como se consigue el hidrogeno y el oxigeno?

    • Oscar Santiago dijo:

      Muy buenas Rafael.

      Para la obtención del hidrógeno existen diferentes métodos, unos más respetuosos con el medio ambiente que otros. En el artículo que enlazo describo algunas de las distintas maneras de producir hidrógeno. (http://apilados.com/blog/contaminan-los-coches-impulsados-por-pilas-de-hidrogeno/) De forma resumida, el hidrógeno puede obtenerse por ejemplo por electrolisis del agua. Si la electricidad empleada procede de energías renovables entonces el proceso de obtención del hidrógeno habrá sido sin emisión de contaminantes. Otra opción, la empleada mayormente en la industria actualmente es el reformado del gas natural. En este caso se emite dióxido de carbono durante la producción. Sin embargo, a día de hoy los procesos para la producción de hidrógeno son objeto de numerosas investigaciones, tanto para mejorar su eficiencia como para hacer el proceso menos contaminante.

      En cuanto a la obtención del oxígeno existen dos métodos industriales para su obtención los cuales están totalmente desarrollados e instaurados. Por un lado está la destilación fraccionada del aire que es el método mayoritario, y por otro el uso de tamices que permiten la absorción del nitrógeno presente en el aire. Otra opción también sería la electrólisis del agua.

      Espero haberte respondido y gracias por la pregunta

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