Pila de combustible de hidrógeno

Una pila de combustible de hidrógeno produce electricidad combinando hidrógeno y oxígeno sobre dos electrodos separados por un electrolito, con agua y calor como únicos productos. A diferencia de una pila corriente, se alimenta desde fuera y funciona mientras llega gas. Christian Schönbein observó el efecto en 1838, él y William Grove lo dieron a conocer en 1839, Grove construyó una batería de gas de cincuenta elementos en 1842 y en la década de 1960 las pilas de combustible alimentaron las naves Gemini y Apolo.

Qué es

Una pila de combustible es una celda electroquímica que recibe sus reactivos de forma continua. En una pila de hidrógeno, el hidrógeno llega a un electrodo y el oxígeno, casi siempre el del aire, al otro, y la celda da corriente continua mientras sigan llegando los gases. Una pila corriente lleva una reserva fija de sustancias que se agota; en una pila de combustible, los electrodos y el electrolito están pensados para no cambiar.

La reacción es la inversa de la electrólisis del agua: el hidrógeno y el oxígeno se combinan en agua, y parte de su energía química sale como electricidad en lugar de calor. Con hidrógeno puro, los únicos productos son electricidad, agua y calor. Como no se quema combustible para mover un motor, el rendimiento puede superar el 60 %.

Cómo funciona

Una celda moderna es un emparedado: las placas ranuradas llevan el hidrógeno a una cara de la membrana y el aire a la otra.

Los electrodos llevan un catalizador, a menudo platino. El electrolito que los separa deja pasar iones pero no electrones, que tienen que dar la vuelta por el circuito exterior, donde hacen trabajo en una lámpara o un motor. En una pila de membrana de intercambio de protones, el hidrógeno cede sus electrones en el electrodo negativo, el ánodo, y se convierte en iones de hidrógeno; estos atraviesan la membrana hasta el electrodo positivo, el cátodo, donde se encuentran con los electrones que regresan y con el oxígeno y forman agua. Una pila alcalina mueve iones hidróxido en sentido contrario: se forman en el cátodo a partir de oxígeno, agua y electrones, cruzan el electrolito hasta el ánodo y allí se combinan con el hidrógeno, de modo que el agua aparece en el ánodo.

La reacción solo ocurre donde se tocan el gas, el electrolito y el catalizador, por eso los electrodos son porosos, para que esa línea de encuentro sea lo más larga posible. Grove lo vio en 1842: sobre una hoja de platino lisa la acción solo se daba en la línea del agua, así que cubrió sus láminas con platino fino depositado a partir de una disolución. Los electrodos modernos son láminas delgadas con una capa repelente al agua, una capa activa de catalizador sobre carbono y una capa conductora.

Una sola celda da poca tensión, de modo que las celdas se apilan en serie para alcanzar una útil. En las pilas de membrana de intercambio de protones, el electrolito es una membrana de plástico fina que solo deja pasar los iones de hidrógeno. Las pilas alcalinas, del tipo que desarrolló Bacon, usan una disolución alcalina. Otros tipos trabajan en caliente, con carbonatos fundidos o con un electrolito cerámico sólido. Un sistema completo necesita además bombas o ventiladores, un modo de evacuar el agua y el calor, sensores y control.

Cómo hacerlo

Sin la pila, el gas que queda en las minas las convierte en una diminuta pila de combustible.

Se puede ver una pila de combustible en marcha a escala muy pequeña. Monte el dispositivo de lápices descrito en la electrólisis del agua: dos lápices de madera afilados por ambos extremos, clavados en una cartulina puesta sobre un vaso de agua con un poco de sal de Epsom disuelta, con las puntas inferiores en el líquido sin tocarse. Hacen falta además una pila de 9 voltios, dos cables con pinzas de cocodrilo y un multímetro ajustado para medir voltios de corriente continua.

Conecte la pila a las dos puntas superiores hasta que suban burbujas de las dos minas. Parte del hidrógeno y del oxígeno queda retenida en el grafito. Suelte la pila y conecte en su lugar los dos lápices al multímetro, el lápiz que estaba en el borne negativo al cable negro del aparato.

El multímetro marca una tensión: el hidrógeno retenido en una mina y el oxígeno en la otra se recombinan a través de la disolución y hacen pasar una corriente por el aparato, como en las láminas de platino de Grove. Vuelva a conectar la pila para producir gas de nuevo.

Seguridad. Las burbujas contienen hidrógeno, que forma mezclas explosivas con el aire y arde con una llama casi invisible. Mantenga llamas y chispas lejos del vaso y no recoja nunca el gas en un recipiente.

Historia y evolución

En febrero de 1839 Grove publicó cómo se desviaba la aguja de un galvanómetro cuando una lámina de platino entraba en hidrógeno y la otra en oxígeno.

Christian Friedrich Schönbein, profesor de física y química en Basilea, observó el efecto en 1838. En una carta fechada en diciembre de 1838 y publicada en el número de enero de 1839 del Philosophical Magazine, describió cómo unos hilos de platino que habían servido de electrodos en agua acidulada perdían o adquirían poder voltaico en hidrógeno o en oxígeno, y atribuyó las corrientes resultantes a la unión de los dos gases. En el número de febrero, William Robert Grove, más tarde profesor de filosofía experimental en la London Institution, explicó el efecto al final de un artículo sobre la combinación de gases por el platino. Selló dos láminas de platino a través del fondo de un recipiente de vidrio lleno de agua acidulada con ácido sulfúrico e invirtió un tubo de oxígeno sobre una y uno de hidrógeno sobre la otra. En cuanto las láminas tocaron los gases, un galvanómetro unido a ellas se desvió, y en las horas siguientes el líquido subió en los dos tubos, más en el del hidrógeno. Grove terminaba con la esperanza de «descomponer el agua por medio de su composición».

En diciembre de 1842 describió una «batería voltaica de gas» de 50 pares de tubos, cada uno con una lámina de platino platinado, colocados en ácido sulfúrico diluido. Daba una descarga, una chispa entre puntas de carbón y corriente suficiente para descomponer el agua. Su ayudante observó que el hidrógeno se consumía el doble de rápido que el oxígeno.

A finales de la década de 1880, Ludwig Mond y Carl Langer lograron pilas más duraderas reteniendo el electrolito en un material poroso no conductor. Francis Thomas Bacon se dedicó a la pila de hidrógeno y oxígeno cuando trabajaba en la empresa de ingeniería C. A. Parsons, siguió en el King’s College de Londres y, desde 1946, en Cambridge, donde desarrolló pilas alcalinas prácticas con electrodos de difusión de gas. La carrera espacial creó después la necesidad de una energía ligera y eficiente. Las pilas de combustible alimentaron las naves Gemini y Apolo y más tarde el transbordador espacial; las de Apolo derivaban de una unidad de 6 kW construida para el proyecto de Bacon por la empresa Marshall, de Cambridge. Hoy se usan en vehículos, en edificios y como alimentación de reserva, aunque el precio del platino y el almacenamiento del hidrógeno siguen frenando su difusión.