Aunque con diferencias según el tipo, la unidad fundamental de una pila de combustible se compone de dos electrodos conductores electrónicos separados por un electrolito conductor iónico. Los reactivos, oxígeno e hidrógeno, reaccionan de forma separada en cada electrodo. Para que estas reacciones tengan lugar es necesario que haya un material catalizador tanto en el cátodo como en el ánodo. A nivel microscópico, lo que ocurre es que cada molécula de hidrógeno en el ánodo se convierte, con ayuda del catalizador en dos iones positivos de hidrógeno o protones (2H+) y dos electrones (e-). Ambos, electrones y protones, van al cátodo para reaccionar con moléculas de oxígeno y formar agua, pero siguen caminos distintos. Los protones pasan a través del electrolito mientras que los electrones lo hacen por un circuito eléctrico externo, generando así una corriente eléctrica.
En definitiva, en una pila de combustible tiene lugar la combustión del hidrógeno, sin que las moléculas de hidrógeno y oxígeno entren en contacto, y la energía de la reacción da lugar a una corriente eléctrica: se ha producido electricidad.
La tecnología de las pilas de combustible presenta las siguientes ventajas frente a otros sistemas tradicionales:
Alta eficiencia energética: Las pilas de combustible tienen mayor eficiencia que otras formas de conversión de energía, como los motores de combustión.
Bajo nivel de contaminación medioambiental: Al funcionar con hidrógeno como combustible, el proceso electroquímico no produce emisión de gases contaminantes (óxidos de nitrógeno y azufre, hidrocarburos insaturados, etc.). Tampoco hay contaminación acústica*, ya que al no haber partes móviles, las pilas de combustible no producen ruido.
Carácter modular: La disponibilidad de las pilas de combustible como módulos independientes supone una ventaja adicional, ya que un cambio de escala en la potencia requerida se consigue fácilmente mediante la interconexión de módulos.
Flexibilidad de operación: Una pila de combustible puede funcionar con alto rendimiento y sin interrupción en un amplio rango de potencias suministradas. Esto no ocurre así con otros métodos de conversión de energía.
Las principales aplicaciones de las pilas de combustibles son:
Transporte: Las principales marcas de automóviles, Ford, General Motors, Toyota, Daimler-Chrysler entre otras, ensayan ya prototipos previos a la comercialización que funcionan con una pila de combustible tipo PEMFC. También se está estudiando la utilización de pilas de combustible tipo SOFC como unidades auxiliares de potencia. Se espera que estos automóviles puedan adquirirse en el plazo de dos a tres años y vayan sustituyendo progresivamente a los coches con motor de combustión interna. Para el año 2020, se espera que aproximadamente el 10% de los vehículos en el mundo lleven una pila de combustible.
Aplicaciones portátiles: El uso de una pequeña pila de combustible (recargada con cartuchos de combustible; por ejemplo metanol) como fuente de energía para pequeños dispositivos electrónicos, en lugar de las tradicionales baterías, ofrece grandes ventajas en el aumento de la autonomía de los equipos.
Generación eléctrica: La posibilidad de escalado de esta tecnología permitirá la producción de energía eléctrica en grandes potencias. Además, el uso de pilas de combustible de alta temperatura facilitará el aprovechamiento del calor residual para combinarlo con otras tecnologías, aumentando así el rendimiento global.
Residencial: El hecho de que las pilas de combustible desprendan calor durante su funcionamiento, además de su reducido tamaño y posibilidad de escalado, las hacen perfectas para ser utilizadas en aplicaciones residenciales, donde cada familia pueda tener calor y electricidad en su casa.
Las pilas de combustible y la utilización del hidrógeno pueden ser una solución al problema medioambiental; principalmente, porque alcanzan eficiencias altas con niveles de contaminación bajos.
Su utilización generalizada depende aún de avances en determinados ámbitos de su tecnología. Es preciso aumentar la durabilidad media de sus componentes, disminuir los costes de fabricación y conseguir una buena infraestructura de fabricación y distribución del hidrógeno.
En estos logros reside el que sea factible la transición de una economía basada en los combustibles fósiles hacia una economía basada en el hidrógeno como combustible, la denominada
"Economía del hidrógeno*".