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La pila de hidrógeno es un dispositivo electroquímico de conversión de energía similar a una bateria, pero se diferencia en ésta en que está diseñada para permitir el reabastecimiento continuo de los reactivos consumidos (hidrógeno y oxígeno) y producir electricidad.

Christian Friedrich Schönbein, químico germano-suizo, descubrió en 1838 el principio químico que utilizan las pilas o células de hidrógeno. Más tarde, en 1843 Sir William Grove desarrolló la primera pila de hidrógeno con materiales similares a los utilizados actualmente en las pilas de ácido fosfórico. Sin embargo, tuvieron que pasar alrededor de cien años para Francis Thomas Bacon fabricara la primera pila de hidrógeno con un rendimiento de 5 kilovatios, en 1959.

La NASA utilizó las patentes de Francis Bacon en su programa aeroespacial, para poder disponer de agua y electricidad en el espacio, a partir del hidrógeno y del oxígeno disponibles en los depósitos de la nave. Las primeras misiones que utilizaron éste tipo de pilas de hidrógeno fueron las del programa Apollo. Fue entonces cuando General Electric desarrolló las primeras pilas con membrana de intercambio de protones o pila PEM ( Proton Exchange Menbrane), mucho mas ligeras y duraderas que el modelo de Francis Bacon. Éste tipo se utilizó por primera vez en la misión Gemini V (1965). Para estas primeras pilas se utilizaban materiales muy caros, y las primeras células necesitaban temperaturas de funcionamiento muy elevadas; sin embargo, debido a las grandes cantidades de combustible disponible (hidrógeno y oxígeno en el agua) no cesó la investigación en las células de hidrógeno.

Aun asi, debido a su elevado coste, el uso de pilas de hidrógeno se vio limitado a aplicaciones espaciales. Pero a finales de los 80, fue entonces cuando las células de hidrógeno tuvieron un gran desarrollo. Se produjeron varias innovaciones (electrodos de película fina y catalizador con menos platino), y se inventaron nuevas tecnologías que abarataron los procesos de fabricación de los componentes de las pilas de hidrógeno.
Para explicar su funcionamiento, se podrá como ejemplo la célula de membrana intercambiadora de protones hidrógeno/oxígeno. Separando el ánodo del cátodo está colocada una membrana conductora de protones, llamada electrolito. En el lado del ánodo, el hidrógeno que llega al ánodo catalizador se divide en protones y electrones. Los protones son conducidos a través de la membrana al cátodo, pero los electrones están forzados a viajar por un circuito externo produciendo energía, ya que la membrana está aislada eléctricamente. En el catalizador del cátodo, las moléculas del oxígeno reaccionan con los electrones y protones para formar el agua. En este ejemplo se podría considerar como residuo el vapor de agua. Pero para que los protones puedan atravesar la membrana, ésta debe estar convenientemente humidificada dado que la conductividad protónica de las membranas poliméricas utilizadas en este tipo de pilas depende de la humedad de la membrana. Por lo tanto, es habitual humidificar los gases previamente al ingreso a la pila.

En la actualidad ya se han fabricado prototipos de coches y otros vehículos propulsados mediante pilas de hidrógeno con membrana de intercambio de protones. Muchas compañías trabajan en el desarrollo de éstos sistemas, por lo que hay un gran secretismo industrial. Pese a que la mayoria de las compañías automovilísticas estan trabajando para la llamada contaminacion cero, actualmente solo la marca japonesa Honda es la única que ha obtenido la homologación para comercializar su vehículo impulsado por este sistema, el FCX Clarity, que mezcla la eficiencia enérgetica con las mejores prestaciones de los automóviles actuales.