Básicamente, las celdas de combustible tienen dos electrodos (ánodo y cátodo) y, entre ellos, un electrolito que conduce partículas con carga eléctrica desde un electrodo al otro, mientras un agente catalizador controla la velocidad de la reacción. El proceso básico es que el hidrógeno (en forma pura o compuesto), entra al ánodo, donde una reacción química separa los electrones formando iones de hidrógeno con carga neta positiva. Esta carga se difunde por el electrolito y los electrones fluyen por un circuito externo como corriente eléctrica. En el cátodo, los iones de hidrógeno se combinan con los electrones y el oxígeno del aire produciendo agua, como se puede apreciar en la figura 1.

En los otros tipos de celdas, iones fluyen desde el cátodo al ánodo, donde se recombinan con hidrógeno produciendo agua (ver figuras 2 a 4). En todos los tipos de celdas, hay un flujo de electrones externos generando la corriente eléctrica respectiva.

El electrolito desempeña un rol fundamental, ya que debe permitir el flujo de iones entre los dos electrodos. El proceso descrito es de índole electroquímica, no de combustión; por lo tanto, no hay pérdida de energía calórica por combustión, lo que redunda en un proceso de generación eficiente. Las celdas tienen una configuración como la indicada en las figuras: una unidad genera 1,6 V, y varias de ellas conectadas en serie producen la tensión y la potencia generada de trabajo requerida.

Tipos de celdas

Científicos e ingenieros han estado y están trabajando en variados tipos y tamaños de celdas, con distintas clases de electrodos y electrolitos.

• Celdas PEM (Membrana Intercambiadora de Protones): Trabajan con un electrolito con forma de membrana flexible y porosa al flujo de iones. Alcanzan eficiencias superiores al 50% y operan con temperaturas internas cercanas a los 80ºC. Las potencias generadas por un arreglo de estas celdas están entre 50 y 200 kW, y su principal limitación es que el hidrógeno debe estar altamente purificado, por lo que requieren catalizadores fabricados con platino, elevando los costos. Pueden ser instaladas en vehículos o en tierra, con gran flexibilidad de aplicaciones. Actualmente se está experimentando en el uso del metanol como combustible directo, sin necesidad de inyectar hidrógeno puro, lo que simplificaría la operación continua por el uso de combustible líquido a temperatura ambiente.

• Celdas de óxidos sólidos: Usan cerámicas y compuestos metálicos como electrolitos, alcanzando eficiencias de un 60%, pero operan a altas temperaturas, cercanas a los 1.000 ºC. Las potencias generadas son del orden de 100 kW, y una de sus ventajas es que por la temperatura de operación no requieren de hidrógeno puro, extrayéndolo directamente desde el combustible por un proceso térmico. Por la alta temperatura de operación, hay pérdidas de energía en forma de calor, aunque este calor puede ser aprovechado en otros procesos, dependiendo de la aplicación.

• Celdas con ácido fosfórico: Alcanzan eficiencias del orden de 80% y operan a temperaturas cercanas a los 200ºC. Las potencias de salida van desde los 200 kW hasta los 2 MW y tienen la particularidad de operar con combustible con un alto grado de impurezas; hasta un 1,5%. Entre las dificultades de construcción, sobresale que en su operación necesitan electrodos catalizadores de platino y las partes internas están en contacto con un ácido altamente corrosivo, lo que exige materiales especiales. La aplicación principal es formar centrales generadoras de electricidad.

• Celdas con ácidos carbonatados derretidos: Usan electrolitos a alta temperatura (650º C), con un 70% de eficiencia en la conversión de energía. Unidades de 2 MW son comunes de encontrar. Entre sus características diferenciadoras se destaca que sus electrodos y catalizadores son de níquel y por ende, fáciles de fabricar y de bajo costo. En el proceso de generación se inyecta dióxido de carbono para compensar la producción interna de iones de carbono.

El combustible de las celdas es fundamentalmente hidrógeno, que puede obtenerse de diferentes fuentes, como combustibles fósiles por oxidación parcial a alta temperatura, mediante procesos térmicos de reacción de gases con vapor, a través de procesos de electrólisis del agua y biomasa, y por proceso de pirolisis. Una estrategia para favorecer el medio ambiente es usar como fuente de energía primaria, en la producción de hidrógeno, electricidad generada desde fuentes renovables: paneles fotovoltaicos, viento, geotérmica y plantas nucleares.

Cuando se consigan costos competitivos, y facilidades para el combustible, las celdas verán incrementada las aplicaciones, tanto para usos estáticos como móviles. Los vehículos son una de los posibles usos de las celdas en forma masiva, como también lo es el uso a nivel doméstico como fuente de energía para iluminación, calefacción y electrodomésticos. Otras de las aplicaciones que prometen son los referidos a todo tipo de artefactos móviles, teléfonos celulares, notebooks y dispositivos que requieran pilas para su operación.