Una pila alcalina de hidrógeno es una pila de combustible en la que el electrolito es una disolución alcalina (normalmente KOH). Este sistema de almacenamiento de energía emplea combustible de hidrógeno y el comburente es oxígeno. Su función es generar electricidad, agua y calor mediante reacciones electroquímicas.
La pila alcalina de hidrógeno es un dispositivo electroquímico que convierte de forma directa la energía química del hidrógeno y el oxígeno en energía eléctrica continua. A diferencia de una batería convencional, no se carga. Además, puede seguir produciendo energía.mientras se le suministren H₂ y O₂ desde el exterior. Se denomina alcalina porque el electrolito es una solución acuosa básica (p. ej., KOH), lo que implica que el ión que transporta la carga en el electrolito es el hidroxilo OH⁻.
Los componentes de una pila alcalina de hidrógeno
Una celda individual de pila alcalina de hidrógeno se compone de:
-
-
Ánodo (electrodo de hidrógeno): electrodo poroso donde se alimenta H₂ y se produce su oxidación.
-
Cátodo (electrodo de oxígeno): electrodo poroso donde se alimenta O₂ y se produce su reducción.
-
Electrolito alcalino: disolución acuosa de KOH (u otro hidróxido alcalino) que impregna una matriz porosa y permite el transporte de iones OH⁻ entre los electrodos.
-
Separador o matriz porosa: mantiene físicamente separados los electrodos, evita el mezclado directo de gases pero permite el paso de la disolución electrolítica.
-
Placas colectoras/bipolares: recogen la corriente de cada electrodo y, en un stack, conectan eléctricamente celdas en serie y distribuyen los gases de forma homogénea.
-
En la práctica, varias celdas de combustible se apilan (stack) para alcanzar tensiones útiles (decenas a cientos de voltios), manteniendo la misma corriente por rama.
El funcionamiento electroquímico
En una pila alcalina, las especies móviles en el electrolito son los iones OH⁻. La estequiometría típica es:
- En el ánodo (oxidación del hidrógeno):
Aquí el H₂ se combina con iones OH⁻ de la disolución, generando agua y liberando electrones al circuito externo. -
En el cátodo (reducción del oxígeno):
El O₂, el agua y los electrones que llegan por el circuito externo producen nuevos iones OH⁻.
-
Reacción global (sumando ambas):
Cabe destacar que los electrones generados en el ánodo fluyen por el circuito externo hacia el cátodo, donde son consumidos. Ese flujo de electrones es la corriente útil. Los iones OH⁻ cierran el circuito dentro de la celda. Se consumen en el ánodo y se regeneran en el cátodo, de modo que su concentración global se mantiene aproximadamente constante en operación estacionaria. El agua se genera principalmente en el ánodo (a diferencia de una PEM, donde se genera en el cátodo), lo que condiciona la gestión térmica y de agua.
Las características de una pila alcalina de hidrógeno
-
Rendimiento: las pilas alcalinas alcanzan eficiencias eléctricas elevadas, del orden del 60–70% en condiciones óptimas, superiores a muchos ciclos térmicos convencionales.
-
Temperatura de operación: suelen operar en rango bajo–medio (por debajo de ~220 °C según el diseño), lo que simplifica materiales frente a pilas de óxido sólido, pero exige buena gestión de agua y CO₂.
-
Sensibilidad al CO₂: el electrolito de KOH reacciona con CO₂ formando carbonatos (K₂CO₃), degradando la conductividad iónica y el rendimiento. Esto obliga a usar oxígeno prácticamente puro o aire muy purificado.
-
Pureza de hidrógeno: aunque toleran algo de impurezas, la presencia de CO, CO₂ u otros contaminantes en el combustible también puede desactivar catalizadores y deteriorar prestaciones.
Aplicaciones y comparación con otras pilas de combustible
La pila alcalina de hidrógeno ha sido muy utilizadas en aplicaciones espaciales (programas Apollo y Shuttle). El motivo esque permite alta eficiencia, uso de O₂ e H₂ puros y producción de agua como subproducto aprovechable.
En aplicaciones terrestres, compiten con otros tipos de pila de combustible, especialmente PEM (membrana de intercambio protónico), SOFC (óxido sólido), etc.
La siguiente tabla permite una fácil comparación entre las tecnologías alternativas:
En ingeniería de energía, las pilas alcalinas de hidrógeno se consideran una tecnología madura, con alta eficiencia y buena densidad de potencia. Sin embargo, están fuertemente condicionada por la necesidad de gases muy puros y por la gestión del electrolito alcalino frente al CO₂. Esta situación limita su despliegue masivo en aplicaciones abiertas como automoción o generación distribuida conectada al aire ambiente.
La pila alcalina de hidrógeno Stargate
Stargate Hydrogen presume de su gran innovación: una pila alcalina de hidrógeno. Esta revelación se anunció durante la próxima Cumbre Mundial del Hidrógeno programada del 13 al 15 de mayo de 2024 en Rotterdam. Según la empresa especializada en la fabricación de electrolizadores de hidrógeno, la pila de electrólisis es el componente fundamental de un sistema de producción de hidrógeno. Su nueva creación, denominada Stellar 100, está fabricada en Europa y cuenta con una capacidad de producción de hasta 100 Nm3/h. Esto implica que cada hora puede generar suficiente energía para propulsar un automóvil durante 1.000 kilómetros.
El desarrollo de Stellar100 fue llevado a cabo por Stargate en colaboración con destacados proveedores europeos. Su rendimiento fue validado por el ZSW. Este prestigioso instituto de investigación alemán ha certificado a otras industria de electrolizadores.
Los resultados obtenidos posicionan a Stellar100 como una de las pilas de electrólisis más eficientes disponibles en el mercado actual. Este nuevo producto ya está disponible para su adquisición, con las dos primeras unidades destinadas a un proyecto de 1 MW en Estonia, seguidas por una entrega adicional de 1 MW para un proyecto en Alemania.
