Pilas de Combustible y Motores de Hidrógeno: Funcionamiento y Aplicaciones Energéticas

Funcionamiento de las Pilas de Combustible

Las pilas de combustible son sistemas electroquímicos que convierten directamente la energía de una reacción química en electricidad. A diferencia de las pilas eléctricas o baterías, una pila de combustible no se agota ni necesita ser recargada; funciona mientras se le suministren combustible y oxidante desde el exterior.

Una pila de combustible consta de un ánodo (donde se inyecta el combustible, en este caso, hidrógeno) y un cátodo (donde se introduce un oxidante, generalmente aire u oxígeno). Los dos electrodos están separados por un electrolito iónico conductor. Su principio de funcionamiento es inverso al de la electrólisis. Se obtienen eficiencias entre un 35% y un 60%. Los desafíos actuales residen en la durabilidad de las pilas y en los costos. Los sistemas de pilas de combustible se caracterizan por sus reducidas emisiones.

Funcionamiento del Motor de Hidrógeno

Existen dos tipos de motores que emplean hidrógeno:

• Motores de combustión: Utilizan el hidrógeno como si fuera gasolina.
• Motores de conversión de pila de combustible: Utilizan el hidrógeno para producir electricidad. Estos son los más comunes.

Los motores de conversión de pila de combustible llevan una célula de combustible de hidrógeno y otra de oxígeno. Al mezclar ambos, se produce electricidad que se emplea para mover un motor eléctrico. Para obtener el hidrógeno que luego se introducirá en las células, se lleva a cabo un proceso de electrólisis.

Uso Energético del Hidrógeno

El hidrógeno puede utilizarse de diversas formas para la generación de energía:

Combustión Directa

La combustión del hidrógeno con oxígeno puro produce vapor de agua. El principal inconveniente es la alta temperatura desarrollada en la llama. Para solucionarlo, se puede inyectar agua adicional o emplear catalizadores basados en platino. Los gases de combustión pueden llevarse a una turbina de gas o a un ciclo combinado (turbina de vapor/turbina de gas) para generar electricidad.

Combustible de Motores

Una de las aplicaciones tradicionales del hidrógeno ha sido como combustible de cohetes y transbordadores espaciales. El hidrógeno se utiliza como el gas de trabajo que se mueve de la parte fría a la caliente del cilindro sellado. Los motores basados en este gas pueden ser un 20% más eficientes que los que emplean gasolina.

Ventajas del Uso de Hidrógeno

• El hidrógeno se extrae del agua, un recurso abundante e inagotable.
• La combustión del hidrógeno con el aire es limpia, evitando la contaminación ambiental.
• Los productos de la combustión son principalmente vapores de agua, que no son contaminantes.
• La temperatura de autoignición del hidrógeno es de solo 585 °C.
• Una máquina de combustión interna que utiliza hidrógeno puede ajustarse para que la emisión de NOx sea 200 veces menor que la de los vehículos actuales.

Desventajas del Uso de Hidrógeno

• No es un combustible primario, por lo que se incurre en un gasto para su obtención.
• Requiere sistemas de almacenamiento costosos y aún poco desarrollados.
• Elevado gasto de energía en la licuefacción del hidrógeno.
• Elevado precio del hidrógeno puro.