La celda de combustible de hidrógeno es un dispositivo que sirve para generar energía. Su complejidad dependerá de la cantidad de energía que se pretende producir.
Para transformar hidrógeno en energía es común usar las celdas de combustible, estas celdas se componen de tres partes que son: ánodo, electrolito y cátodo, el hidrógeno ingresa por el lado del ánodo entrando en contacto con la capa de difusión de gas. Esta se encarga de ubicar homogéneamente el hidrógeno sobre la capa catalizadora. Esta capa, normalmente de platino y carbono, se encarga de separar los protones de los electrones. Los últimos realizan el trabajo, mientras que los protones pasan por el electrolito. Por el cátodo está ingresando oxígeno proveniente del aire, uniéndose con el hidrógeno del ánodo y formando agua.
Existen varios tipos de celdas de combustible las cuales se describen a continuación.
Principales tipos de celdas de combustible
🔆 La membrana de intercambio de protones (CCMIP)
Son un tipo de celda que contiene una membrana. Esta membrana se fabrica generalmente en un polímero conductor de protones. La membrana conduce los protones hacia el cátodo debido a la composición química de esta, pero los electrones se ven forzados a tomar otro camino, debido a que la membrana es construida en materiales aislantes.
Este otro camino puede ser el abastecimiento de energía. Después, los electrones que han viajado por el circuito externo y los protones empiezan a reaccionar con el oxígeno generando agua en forma de líquido o vapor. Estos son los residuos que genera este proceso químico.
🔆 Las celdas de combustible de metanol directo (CCMD)
Son una subcategoría de las celdas de intercambio de protones las cuales utilizan el metanol como combustible. Su principal ventaja es la facilidad de transporte del metanol.
El metanol es un líquido denso. Su energía es razonablemente estable en condiciones ambientales, pero tiene como desventaja que sus eficiencias son bajas comparadas con otro tipo de celdas de combustible.
Los rangos de trabajo en este tipo de celdas están entre los 25W y los 5kW y las temperaturas de trabajo entre 90 y 120 °C.
🔆 Las celdas de combustible de óxido sólido (CCOS)
Son un tipo de celda en la cual el oxígeno cargado negativamente viaja del cátodo al ánodo y los iones de hidrógeno cargados positivamente viajan del ánodo al cátodo como en todos los demás tipos de celdas de combustible.
Este tipo de celdas posee la ventaja de que el combustible utilizado no debe ser necesariamente hidrógeno puro, si no que puede ser un gas rico en hidrógeno como es el caso del metano, el butano y el propano. Es capaz, incluso de trabajar con hidrocarburos pesados como la gasolina y el diesel, pero con una reformación previa.
Los residuos que genera este tipo de celda son agua, calor y energía eléctrica al igual que en los demás tipos de celda. Según el tipo de combustible que se utilice para su proceso puede generar dióxido de carbono CO2. Sus emisiones son mucho menores comparadas con una planta de generación de energía eléctrica a partir de combustibles fósiles.
Los rangos de operación de este tipo de celdas son de 100W a los 2MW y sus temperaturas de operación están entre los 800 y los 1000 °C .
🔆 Las celdas de combustible de carbonato fundido (CCCF)
Son un tipo de celdas que usan sal de litio de carbonato potásico como electrolito a altas temperaturas (superiores a 600 °C). Este tipo de sal se funde permitiendo el flujo de carga, siendo la carga los iones negativos del carbonato dentro de la celda.
Este tipo de celda puede utilizar como combustible además de hidrógeno puro, gases como el gas natural, biogás y el gas producido a partir de carbón. El hidrógeno presente en estos gases reacciona con los iones de carbonato. Generan como residuos: agua, dióxido de carbono y pequeñas cantidades de otros productos químicos.
Los electrones viajan a través de un circuito externo generando electricidad y regresan al cátodo. Allí el oxígeno reacciona con el aire y el dióxido de carbono que son enviados desde el cátodo para formar iones de carbonato y reponer el electrolito.
La principal desventaja de este tipo de sistemas está en su corta vida útil, pues el electrolito de carbonato acelera la corrosión del ánodo y el cátodo acortando la durabilidad del sistema.
¿Cómo funcionan las celdas de combustible de hidrógeno?
El funcionamiento de una celda de combustible de hidrógeno consiste básicamente en la oxidación del hidrógeno en agua, generando energía eléctrica y calor.
Como hemos descrito anteriormente, la celda de combustible está compuesta por un ánodo, un cátodo y electrolitos. En el interior de la celda sucede una reacción química que da lugar a la formación de electricidad, calor y agua.
Esto se logra alimentando el hidrógeno en el ánodo de la celda y el oxígeno en el cátodo, los cuales están separados por una membrana electrolítica.
La reacción se produce dentro de la celda misma. La producción de agua toma lugar en distintas partes de la celda dependiendo del electrolito utilizado.
El hidrógeno fluye hacia el ánodo de la celda, donde una cubierta de platino ayuda a quitar los electrones a los átomos de hidrógeno dejándolo ionizado, o sea, en forma de protones (H+). La membrana electrolítica permite el paso solo de los protones hacia el cátodo.
Debido a que los electrones no pueden pasar a través de la membrana, se ven forzados a salir del ánodo por un circuito externo generando corriente eléctrica. Esta corriente eléctrica se dirige a los receptores o se almacena en baterías para un uso posterior.
¿Qué hace la celda de combustible de hidrógeno?
La función de una celda de combustible de hidrógeno es generar energía eléctrica. En este sentido la celda de combustible hace las mismas funciones que una batería.
Su gran diferencial es que el residuo generado en el proceso es agua, y por tanto no contamina. Este es el gran atractivo para la industria y para el transporte. Ambos sectores difíciles de descarbonizar debido a sus procesos altamente contaminantes y que admiten pocas variantes.
Avances en las celdas de combustible de hidrógeno
Un avance reciente en las celdas de combustible lo hemos encontrado en el Grupo Antolin. Esta importante empresa investiga el potencial de las nanofibras de carbono para mejorar la eficiencia, la durabilidad y la reducción de costes de componentes de las pilas de combustible de hidrógeno.
Los vehículos de pila de combustible de hidrógeno se presentan como la gran alternativa a los coches de combustión fósil. Una tecnología que está acaparando cada vez más atención por su potencial sostenibilidad. No provoca emisiones, permite repostar tan rápido como en el caso de los combustibles fósiles y logra autonomías similares.
El Grupo Antolin desde hace años trabaja en procesos de obtención de nanofibras de carbono con propiedades optimizadas. Servirán para distintas aplicaciones industriales en sectores como el aeronáutico, textil, químico, electrónico y automoción.
El resultado de esta línea de investigación, son nanofibras con excelentes prestaciones de conductividad eléctrica, resistencia a la corrosión y superficie específica. Este material es idóneo para su aplicación en electrodos de las celdas electroquímicas que constituyen la pila de hidrógeno.
Las nanofibras de carbono sirven de soporte físico a las nanopartículas de platino que actúan como catalizador de ciertas reacciones químicas. Por sus propiedades, las nanofibras permiten, entre otras cuestiones, reducir la cantidad utilizada de platino y mejorar sensiblemente la durabilidad de los electrodos así como la eficiencia global del sistema.
Más avances tecnológicos en celdas de combustibles
Otros avances tecnológicos en celdas de combustible los aportan la compañía Donalson. Sus clientes son tan diversos como las industrias que representan. Abarcan desde aeroespacial, agricultura, construcción, alimentación y bebidas, fabricación hasta el transporte.
🔆 Filtración de partículas
Las celdas de combustible tienen necesidades muy estrictas de aire limpio. Las partículas como los contaminantes químicos pueden degradar significativamente el rendimiento y la vida útil de las celdas de combustible. Por eso, es importante que los contaminantes se eliminen del aire que utilizan.
Además de filtrar el polvo y otras partículas contaminantes del flujo de aire (similar a los requisitos para los motores de combustión interna), la utilización de una capa de carbono para capturar la contaminación química permite que la celda de combustible funcione de manera efectiva.
Donaldson ofrece soluciones personalizadas que incorporan medios de alta eficiencia y capas de carbono. Así tratan de manera efectiva las fuentes de contaminación de las celdas de combustible. Donaldson utiliza una gama de medios de filtración patentados.
También han mejorado la filtración química. Disponen de medios personalizados con sistemas de filtración eficaz para:
✅ Dióxido de azufre (SO2)
✅ Tolueno (C6H5CH3) – representativo de VOC
✅ Butano (C4H10) – representativo de VOC
🔆 Membranas de intercambio de protones
Para reducir el coste total de las celdas de combustible, los fabricantes de equipos originales requieren tamaños de celdas de combustible más pequeños; cuanto más pequeña sea la celda, menor será el coste de la celda y sus baterías y sistemas de refrigeración relacionados.
Las membranas de intercambio de protones dentro de las celdas de combustible permiten que solamente pasen los iones positivos de los ánodos a los cátodos, generando energía eléctrica en el proceso. Si bien la durabilidad depende en parte del grosor de estas membranas, se requieren membranas más pequeñas y delgadas para reducir el peso y el coste de la celda de combustible.
Las membranas de politetrafluoroetileno expandido (ePTFE) se utilizan como refuerzo estructural dentro de la membrana de intercambio de protones. Se necesita equilibrar la durabilidad mecánica con la densidad de corriente. Así, se optimizan la potencia y la eficiencia de la celda de combustible. Por lo general, las membranas más delgadas dan como resultado densidades de corriente más altas. Sin embargo, presenta el inconveniente de reducir la durabilidad mecánica.
Donaldson proporciona a los fabricantes membranas delgadas que cumplen con los siguientes requisitos: alta densidad de corriente, manteniendo la durabilidad mecánica de la celda, peso y tamaño de celda reducidos, excelente durabilidad mecánica y alta resistencia para una larga vida útil, rendimiento consistente y fiable
🔆 Sistemas de ventilación para celdas de combustible
Las carcasas de las celdas de combustible necesitan ventilación Esto proporciona una compensación de presión continua y una ventilación adecuada, al tiempo que evita la entrada de agua y contaminantes.
Si bien las carcasas de las celdas de combustible deben estar selladas, las pilas de celdas necesitan ventilación para igualar la presión interna y ambiental. Donaldson ofrece sistemas de ventilación para celdas de combustible que ayudan a mantener alejados los contaminantes ambientales como el agua, la sal, la suciedad y los productos químicos, al tiempo que garantizan un sello hermético al agua para la propia carcasa.
Donaldson tiene una membrana de ePTFE Tetratex® patentada. Esta combina durabilidad y transpirabilidad en un solo paquete. Esta membrana de ePTFE se integra directamente en la carcasa para crear conjuntos de ventilación que cumplen con los requisitos específicos de la aplicación.
Los equipos que funcionan con celdas de combustible tienen baterías de iones de litio. Se utilizan para capturar y almacenar la energía eléctrica generada. También para entregar esa energía a los sistemas de propulsión.
La ventilación de batería de explosión de doble etapa ha demostrado ser eficaz para satisfacer las necesidades críticas de los paquetes de baterías de automoción y servicio pesado. La primera etapa nivela la presión mientras previene la entrada de agua y contaminantes. La ventilación de la segunda etapa se abre completamente en el caso de una rápida acumulación de presión y calor para permitir que los gases en expansión puedan salir, evitando la deformación de la carcasa del paquete de baterías.
Fuentes consultadas: U.S. Department of Energy , Donalson y Grupo Antolin
