Celdas de Combustible

• Este artículo trata sobre las pilas de combustible.
• Primero repasaremos qué es una pila de combustible de hidrógeno.
• Después, exploraremos un sistema de combustible de hidrógeno.
• Después, repasaremos cómo escribir una ecuación media para una pila de combustible de hidrógeno.
• Después exploraremos las aplicaciones de las pilas de combustible.
• Por último, exploraremos las ventajas e inconvenientes de las pilas de combustible.

Pila de combustible de hidrógeno

Normalmente, lo primero que te viene a la cabeza cuando piensas en hidrógeno es agua , porque el agua está formada por dos moléculas de hidrógeno y una de oxígeno. Pero utilizando hidrógeno y oxígeno, podemos encontrar una forma alternativa de energía que no daña nuestro planeta. Esto se debe a que no se producen combustibles fósiles, lo que reduce las emisiones de carbono y mitiga el cambio climático. Hasta ahora parece una buena solución, pero más adelante en el artículo podrás ver por qué quizá no sea la solución más perfecta.

Sistema de pila de combustible

Si miras arriba, verás un diagrama de una pila de combustible de hidrógeno. Hay dos electrodos de grafito, uno positivo y otro negativo, y dos entradas y una salida. También puedes ver que en la parte superior hay un circuito externo, donde los electrones se mueven y, por tanto, permiten el flujo de energía para alimentar un objeto.

El funcionamiento es el siguiente: se introduce hidrógeno en estado gaseoso en el sistema a través de la entrada del electrodo negativo. El gas se difunde a través del electrodo de grafito y reacciona con los iones hidróxido (^OH-). Esto da lugar a la formación de agua y proporciona una fuente de electrones para el circuito externo.

Por otra parte, eloxígeno en su forma gaseosa se introduce en el sistema a través de la entrada del electrodo positivo. Sin embargo, en lugar de reaccionar con los iones hidróxido, reacciona con los electrones móviles para formar los iones hidróxido, que como se ha mencionado anteriormente reaccionan con el hidrógeno y producen agua.

Así que ahora, si podemos imaginarlo, podemos identificar que mediante la reacción del hidrógeno gaseoso y la reacción del oxígeno gaseoso, los electrones que se produjeron y luego se tomaron se anulan mutuamente y el único producto es el agua, que aunque es un producto acuoso no es perjudicial como los gases de efecto invernadero.

Fig. 2: Carbón.

Semiequivalencias de las pilas de combustible de hidrógeno

Ya hemos explorado qué son las pilas de combustible de hidrógeno y cómo funcionan, así que, como químicos que somos, vamos a explorarlo mediante una ecuación química. Las pilas de combustible en general suelen tener dos elementos separados que reaccionan juntos para generar un flujo de electrones, por lo que esto también significa que tenemos dos ecuaciones separadas, una de las cuales muestra los elementos que se oxidan y la otra muestra la reducción, y lo que necesitamos saber es cómo unir ambas para mostrar la reacción total.

Para las pilas de combustible de hidrógeno sabemos que utilizamos hidrógeno y oxígeno, por lo que vamos a utilizar la semiequema del oxígeno y la semiequema del hidrógeno.

La ecuación media del hidrógenoes

$$2H_2(g)+4OH^-(aq)\rightarrow4H_2O(l)+4e^-$$

La ecuación media del oxígeno es

$$O_2(g)+2H_2O(l)+4e^-rightarrow4OH^-(aq)$$

Si pasamos primero por los iones hidróxido, podemos ver que hay 4 de ellos en la media ecuación para el hidrógeno a la izquierda y en 4 de ellos en la media ecuación para el oxígeno a la derecha. Como están en dos lados distintos de la ecuación y hay 4 en cada lado, se anulan entre sí.

Ahora tenemos estas ecuaciones

$$2H_2(g)\rightarrow4H_2O(l)+4e^-$$

$$O_2(g)+2H_2O(l)+ 4e^-$$

También observarás otra parte de la ecuación que es similar, y es el número de electrones, que son 4 en cada una. En la ecuación de la mitad de hidrógeno está en el lado derecho y en la ecuación de la mitad de oxígeno está en el lado izquierdo, por lo que ahora podemos cancelarlos también y nos lleva a las siguientes ecuaciones:

$$2H_2(g)\rightarrow4H_2O(l)$$

$$O_2(g)+2H_2O(l)$$

La última parte que podemos simplificar es el agua. Tenemos 4 en la semiequación del hidrógeno y 2 en la del oxígeno, así que podemos quitar 2 de cada ecuación, pero a diferencia de los iones electrón e hidróxido, seguiremos teniendo 2 aguas en la semiequación del hidrógeno y las ecuaciones no tendrán este aspecto:

$$2H_2(g)\rightarrow2H_2O(l)$$

$$O_2(g)$$

Ahora ya no podemos simplificar ni anular ninguna parte de la ecuación, así que podemos unir ambas y quedará así:

$$2H_2(g)+O_2(g)\rightarrow2H_2O(l)$$

Esta es nuestra ecuación completa para una pila de combustible de hidrógeno.

Aplicación de la pila de combustible

Las pilas de combustible en general pueden utilizarse en diferentes objetos para obtener energía, y lo hacen convirtiendo la energía química en energía eléctrica. Las pilas de combustible se diferencian de las baterías en que necesitan un suministro constante de combustible, mientras que las baterías no necesitan un suministro constante, pero esto significa que las baterías acaban por no ser capaces de suministrar energía constante, a diferencia de las pilas de combustible.

Fig. 3. Autobús de pila de combustible Toyota Sora 2017

Sin embargo, ha habido algunos inventos que utilizan pilas de combustible, como coches y autobuses. Si miras arriba, verás un autobús Toyota que funciona con una pila de combustible. Se ha ampliado la investigación y el desarrollo en este campo, sobre todo a medida que aumenta la amenaza del cambio climático.

Ventajas de la pila de combustible

Al principio de este artículo, hemos mencionado que las pilas de combustible no producen gases de efecto invernadero ni emiten carbono. Esto es muy ventajoso, sobre todo en un momento en que estamos viendo los efectos adversos de los contaminantes y el carbono. Otra ventaja es que no necesitan recargarse eléctricamente, lo que significa que podemos utilizarlas constantemente en lugar de tener que recargarlas como las pilas recargables, o sustituirlas y producir residuos. Por último, al igual que las pilas, las pilas de combustible pueden fabricarse en distintos tamaños para distintos objetos, lo que resulta muy útil.

Desventajas de la pila de combustible

Con cualquier cosa, hay ventajas e inconvenientes. Ya hemos repasado las ventajas, así que repasemos los inconvenientes. Los principales inconvenientes se observan en las pilas de combustible de hidrógeno. Esto se debe a que el hidrógeno es muy inflamable y difícil de almacenar, y como para las pilas de combustible necesitamos un suministro constante, la situación puede complicarse. Además, a veces para producir hidrógeno necesitamos utilizar fuentes no renovables, por lo que aunque la pila de combustible en sí no dañará el medio ambiente, sí lo harán las materias primas para que funcione.