En pocas palabras, una pila de combustible (FC) es un dispositivo de generación de energía que convierte eficazmente la energía química almacenada en combustible y oxidante en energía eléctrica. El combustible y el aire se introducen en la pila de combustible por separado y la electricidad generada es asombrosa. Externamente, tiene electrodos positivos y negativos y electrolito, como una batería, pero en esencia no es una "central eléctrica", sino una "central eléctrica". El concepto de pilas de combustible fue propuesto por G.R. Grove en 1839 y tiene una historia de unos 160 años.
Para comprender mejor las pilas de combustible es necesario que comprendamos los conceptos de “combustible” y “batería”.
Aplicaciones de la energía del hidrógeno Como mencionamos anteriormente, para poder utilizar combustibles como el carbón o el petróleo para generar electricidad, primero se debe quemar carbón o petróleo. La energía de su combustión puede calentar agua y convertirla en vapor, que puede usarse para hacer girar turbinas generadoras en campos magnéticos. Esto crea una corriente eléctrica. En otras palabras, convertimos la energía química del combustible en energía térmica y luego convertimos la energía térmica en energía eléctrica. En este proceso de doble conversión se desperdicia una gran cantidad de energía química bruta. Pero el combustible es muy barato, y este desperdicio no nos impide generar una gran cantidad de electricidad, por lo que no es caro y puede convertir directamente la energía química en energía eléctrica sin convertirla primero en energía térmica. Para ello tenemos que utilizar pilas. Este tipo de batería consta de una o más soluciones químicas en las que se insertan dos varillas metálicas llamadas electrodos. En cada electrodo se produce una reacción química especial y los electrones se liberan o absorben. El potencial en un electrodo es mayor que el potencial en el otro, por lo que si los dos electrodos están conectados con un cable, los electrones fluirán de un electrodo al otro a través del cable. Este flujo de electrones es una corriente eléctrica y continuará mientras haya reacciones químicas en la batería. La batería de una linterna es un ejemplo de este tipo de batería. En algunos casos, cuando una batería se agota y las personas fuerzan que la corriente regrese a la batería, se produce una reacción química en la batería, por lo que la batería puede almacenar la energía química y usarla para regenerar la corriente. La batería de su automóvil es una batería reversible. En las baterías, se desperdicia mucha menos energía química porque la conversión de energía química en energía eléctrica requiere solo un paso. Sin embargo, los productos químicos de las baterías son muy caros. El zinc se utiliza para fabricar baterías para linternas. Si se intentara utilizar suficiente zinc o metales similares para alimentar una ciudad entera, costaría miles de millones de dólares cada día.
Una pila de combustible es un dispositivo que combina los conceptos de combustible y batería. Es una batería, pero no requiere metales caros, sólo combustible barato para reacciones químicas. La energía química de estos combustibles también se convierte en energía eléctrica en un solo paso, que es mucho menor que la pérdida de energía habitual en dos pasos. Por lo tanto, la cantidad de electricidad que se puede proporcionar a los humanos ha aumentado considerablemente.
Las pilas de combustible están diseñadas esencialmente basándose en la teoría del control de explosiones de bombas de hidrógeno. La energía electromagnética y solar recogida por los paneles solares de la nave espacial se convertirá en energía eléctrica, que se utilizará para sustituir lentamente el hidrógeno almacenado en las pilas de combustible por combustible. Las pilas de combustible también contienen pequeñas cantidades de sustancias controladas que pueden sufrir fisión nuclear, que a su vez se utilizan en reacciones nucleares con núcleos de hidrógeno. Las reacciones nucleares tienen lugar en pilas de combustible, que proporcionan alta energía durante el viaje al espacio y aceleran los motores de iones para impulsar la nave espacial. Durante las etapas finales del viaje, las pilas de combustible proporcionan el hidrógeno necesario para alimentar el cohete. Todo el proceso está controlado por potentes electroimanes, que pueden proporcionar energía y evitar que una fuga excesiva de energía provoque que el núcleo del reactor se derrita. La energía térmica, un subproducto de las reacciones nucleares, es absorbida por las paredes exteriores de la pila de combustible y convertida en energía eléctrica para su uso en computadoras, sistemas de soporte vital y otras funciones necesarias.
La estructura y fabricación de las pilas de combustible son relativamente sencillas.
Las personas pueden alimentar la batería con combustible, como gas natural que contiene hidrógeno, desde una tubería, y suministrar oxígeno u oxidante a la batería desde otra tubería, el hidrógeno del gas natural reacciona con electrolitos alcalinos, como el hidróxido de potasio, en el electrodo de combustible microporoso; producen una banda de iones y electrones cargados positivamente. Los electrones ingresan al electrodo microporoso en el lado del oxidante a través del circuito, donde ocurre una reacción de reducción con el oxidante y el electrolito para generar iones cargados negativamente. De esta forma, los iones positivos y negativos se combinan en el electrolito para producir vapor de agua y generar electricidad. Por lo tanto, siempre que se suministre continuamente a la batería combustible y oxidante que contenga hidrógeno, y el compuesto (agua) producido por el electrodo durante la reacción se descargue a tiempo, la energía química generada por el combustible se puede convertir directamente en energía eléctrica a través de la pila de combustible. Este proceso se llama reacción electroquímica.
Dado que el único producto de este proceso de reacción es el agua, se evita la contaminación ambiental provocada por grandes cantidades de dióxido de carbono, dióxido de azufre y otros gases nocivos producidos por las centrales térmicas. A diferencia de las centrales nucleares, deben ocuparse de residuos nucleares radiactivos.
Científicos estadounidenses desarrollaron recientemente la pila de combustible más pequeña del mundo, que tiene sólo 3 mm de diámetro y puede generar 0,7 voltios durante 30 horas. Esta pila de combustible puede generar electricidad sin consumir energía eléctrica y consta de cuatro partes. La capa superior es un tanque de almacenamiento de agua y la capa inferior es una sala de combustible llena de hidruro metálico, separada por una película delgada. Hay un conjunto de electrodos debajo de la sala de combustible de hidruro metálico. También hay muchos pequeños agujeros en la película, de modo que las moléculas de agua en el tanque de almacenamiento de agua puedan ingresar a la sala de combustible en forma de vapor de agua. Después de ingresar a la sala de combustible, las moléculas de agua reaccionan químicamente con el hidruro metálico para producir hidrógeno. El hidrógeno llenará toda la sala de combustible y golpeará la membrana hacia arriba. Detenga el flujo de agua y el hidrógeno reaccionará químicamente en los electrodos debajo de la sala de combustible, creando una corriente eléctrica.