Las pilas de combustible convierten la energía química en electricidad. Son similares a las baterías en función, excepto que los reactivos químicos en una celda de combustible se pueden reponer cuando se agotan. Una pila de combustible se caracteriza típicamente por el tipo de electrolito utilizado, su temperatura de funcionamiento y sus posibles aplicaciones. La mayor parte de la investigación sobre las pilas de combustible se ha centrado en las aplicaciones del automóvil, aunque también se están investigando para la exploración espacial.
Una característica importante de una pila de combustible es el tipo de electrolito utilizado. Un electrolito en una celda de combustible conecta el combustible y el oxidante eléctricamente mientras los mantiene físicamente separados. Los electrolitos utilizados en la tecnología de pilas de combustible pueden ser líquidos o sólidos, lo que genera diferentes ventajas y desafíos de diseño.
Una forma útil de clasificar las pilas de combustible es por su temperatura de trabajo. Muchos diseños, como la celda de combustible de óxido sólido, requieren altas temperaturas de funcionamiento para lograr una alta eficiencia energética. Las reacciones a estas altas temperaturas a menudo pueden convertir más energía química interna en electricidad, en lugar de perder mucha energía a través del calor residual. Las pilas de combustible con temperaturas de funcionamiento más bajas, por otro lado, suelen ser más portátiles. Se están estudiando las celdas de combustible de miembros de intercambio de polímeros (PEMFC) por su prometedora aplicación en el transporte.
Los PEMFC pueden lograr una eficiencia relativamente alta mientras funcionan a una temperatura inferior a 212 grados Fahrenheit (100 grados Celsius). Una temperatura de funcionamiento tan baja permite que la pila de combustible se ponga en marcha rápidamente. Este tipo de pila de combustible también utiliza una película de plástico sólido como electrolito, lo que hace que el sellado de la pila de combustible sea más sencillo que para otros tipos de electrolitos. Esta combinación de características ha convertido al PEMFC en un candidato ideal para reemplazar los motores de combustión de los automóviles.
Algunos han especulado que las pilas de combustible eventualmente reemplazarán por completo a los sistemas de transporte basados en gasolina. Una economía basada en el hidrógeno, en lugar del petróleo, podría disfrutar de varias ventajas clave. En primer lugar, las emisiones de los vehículos se limitarían al vapor de agua, que no representa una amenaza medioambiental evidente. En segundo lugar, los vehículos propulsados por hidrógeno pueden eventualmente resultar más potentes por unidad de masa de combustible. Por último, el suministro de hidrógeno podría ser potencialmente un recurso renovable, a diferencia de los combustibles fósiles, que no son renovables.
Las pilas de combustible alcalinas son del tipo que se utiliza en la exploración espacial, incluidos los vuelos espaciales Apolo a la luna. Combinan hidrógeno y oxígeno para generar electricidad, liberando calor y agua en el proceso. Se utiliza una solución alcalina acuosa como electrolito en este tipo de pila de combustible. Las pilas de combustible alcalinas disfrutan de un alto nivel de desarrollo tecnológico y pueden tener una eficiencia eléctrica de hasta el 60%. Sin embargo, el costo de estas pilas de combustible ha impedido su adopción generalizada en aplicaciones terrestres.