El fenómeno de la pila de combustible fue descrito por primera vez por un físico químico suizo, Christian Friedrich Schoenbein, en 1839, y poco después Sir William Grove desarrolló un dispositivo de pila de combustible, una batería de gas, en 1842.

Desde estos primeros comienzos ha habido muchos dispositivos que se califican como pilas de combustible y es importante tener en cuenta que el término pila de combustible se aplica a todos ellos, ya que todos ellos convierten directamente un combustible gaseoso, como el hidrógeno, en electricidad por medios electroquímicos.

¿Cómo funcionan las pilas de combustible?

Las pilas de combustible funcionan mediante el transporte de un ion móvil a través de un electrolito que separa dos cámaras con electrodos, como se muestra en el diagrama anterior. Como los electrones no pueden atravesar el electrolito, tienen que pasar por el circuito externo, generando energía eléctrica a partir de la oxidación del combustible.

Las principales ventajas de las pilas de combustible son que no tienen piezas móviles, por lo que son intrínsecamente silenciosas y eficientes, no queman el combustible en una llama como en un motor de combustión interna y no producen partículas ni contaminantes atmosféricos como el NOx, responsable del smog fotoquímico y los consiguientes peligros para la salud.

La siguiente tabla recoge los principales tipos de pilas de combustible:

Las tres primeras pilas de combustible, la alcalina, la de ácido fosfórico y la de membrana de intercambio de protones (PEM) se clasifican como pilas de combustible de baja temperatura; las dos de la parte inferior de la tabla, la de carbonato fundido y la de óxido sólido (SOFC) se clasifican como pilas de alta temperatura y pueden funcionar tanto con hidrógeno como con combustibles de hidrocarburos. La pila de combustible más tristemente célebre es la pila de combustible alcalina que se utilizó en la misión del Apolo 13, en la que el tanque de oxígeno explotó de camino a la Luna.

Cada pila, sea del tipo que sea, sólo producirá una pequeña cantidad de energía, por lo que, para alcanzar la escala de kW, las pilas tienen que estar conectadas entre sí para formar un conjunto de pilas de combustible. Además, la pila necesita un "equilibrio de la planta" que la acompañe para suministrar gas y aire y para la refrigeración de la pila. Todo ello aumenta el peso y el coste de la pila terminada.

De los 5 tipos de pilas de combustible mencionados, los que más interés despiertan son las pilas PEM y las SOFC.

Pilas de membrana de intercambio de protones (PEM)

Las pilas PEM necesitan hidrógeno puro como combustible y son el tipo de pilas que más se asocian al transporte debido a su bajo peso. Algunos ejemplos son el vehículo de pila de combustible Toyota Mirai y los autobuses de pila de combustible Ballard. Las pilas PEM se están considerando incluso para la electrificación del transporte aéreo de corta distancia. Estos vehículos tienen cero emisiones de carbono a la hora de utilizarlos y sólo liberan agua por el escape, lo que supone una clara ventaja para los vehículos urbanos a la hora de reducir los niveles de contaminación.

El hidrógeno que alimenta los vehículos se almacena en cilindros de alta presión. Estos vehículos compiten con los que funcionan con baterías, pero tienen algunas ventajas claras, por ejemplo, la supuesta autonomía de 400 millas (unos 650 km) del Mirai y la rápida recarga en comparación con un vehículo alimentado por baterías.

El principal inconveniente de los coches de hidrógeno es la falta de infraestructura de recarga de hidrógeno, que está previsto que se amplíe, pero que va por detrás de la creciente infraestructura de los coches eléctricos. Además, convertir la electricidad renovable en hidrógeno y luego volver a la electricidad en una pila de combustible es menos eficiente que almacenar la energía eléctrica en una batería. 

Los pros y los contras de cada tipo de vehículo acabarán determinando su destino final, pero es probable que, al menos a corto plazo, los vehículos de batería sean los escogidos por los usuarios particulares y los de pila de combustible de hidrógeno por los propietarios de flotas.

Pilas de óxido sólido (SOFC)

La SOFC tiene algunas ventajas e inconvenientes. Habitualmente, estas pilas están fabricadas con componentes cerámicos y tienen poca resistencia a los choques térmicos y mecánicos. Al principio sólo se consideraban para aplicaciones estacionarias. Sin embargo, esto ha cambiado con la aparición de las celdas con soporte metálico, en las que las finas y frágiles capas de cerámica se apoyan en una lámina metálica porosa. Estas pilas con soporte metálico son lo suficientemente robustas como para utilizarlas en vehículos de transporte pesado, como autobuses o camiones articulados.

Una de las ventajas de las pilas SOFC es que pueden utilizarse con distintos combustibles, como los hidrocarburos o el hidrógeno. Son muy tolerantes al monóxido de carbono, un elemento tóxico para los catalizadores de platino utilizados en las pilas PEM. El monóxido de carbono es un contaminante habitual cuando el hidrógeno procede de una fuente de hidrocarburos, como es la práctica actual. Esta flexibilidad del combustible es importante en un entorno comercial y normativo que cambia rápidamente a medida que avanzamos hacia un mundo con bajas emisiones de carbono y cero emisiones netas.

Las aplicaciones de la SOFC incluyen la calefacción y la electricidad domésticas y comerciales, donde el calor residual de la pila de combustible se utiliza para la calefacción. Se trata de una forma muy eficiente de utilizar estas pilas, ya que la eficiencia combinada puede alcanzar más del 80%, algo de gran importancia si el combustible procede de una fuente de hidrocarburos, ya que esto reduce las emisiones de dióxido de carbono por kW generado. Se trata de un ámbito de desarrollo activo en Japón, donde la iniciativa ENEFARM ha desarrollado sistemas combinados de calor y electricidad de SOFC y PEM para uso doméstico.

Otras aplicaciones son la energía para centros de datos -un área que está siendo explotada con éxito por Bloom Energy en Estados Unidos-, los vehículos eléctricos pesados y el transporte marítimo.

El transporte marítimo es una aplicación muy interesante, ya que se trata de un sector muy difícil de descarbonizar; existe un gran interés en utilizar el amoníaco como combustible para los buques comerciales, ideal para la SOFC. A principios de este año, la empresa coreana Doosan Fuel Cell firmó un memorando de entendimiento con la división de construcción naval de Hyundai Heavy Industries, para desarrollar conjuntamente un sistema de SOFC que proporcione una energía más limpia para los barcos, basado en las celdas con soporte metálico desarrolladas por la empresa británica Ceres Power.

Una última ventaja de las SOFC es que son reversibles. Las mismas celdas utilizadas para generar energía pueden revertirse y abastecerse de energía y agua para generar hidrógeno, como se comentó en la anterior entrada del blog. Se trata de un posible sistema de almacenamiento de energía para suavizar los problemas de intermitencia en el suministro de las fuentes de energía renovables, siempre que sea posible el almacenamiento de hidrógeno a gran escala.

Las pilas de combustible han tenido una historia larga y a veces irregular de desarrollo. Siempre han sido una alternativa cara a los motores de combustión interna, agravada por los bajos volúmenes de producción.  Su capacidad para generar energía limpia y eficiente las ha impulsado a la vanguardia en la carrera mundial por la descarbonización. Ahora se necesita una producción y un despliegue masivos para aprovechar sus ventajas inherentes y contribuir a frenar el cambio climático y la contaminación atmosférica.