Pilas de combustible de hidrógeno, limitaciones y una posible solución

in StemSocial6 months ago
Hola estimados amigos.

Las pilas de combustible, o también llamadas celdas de combustible, son dispositivos electroquímicos de conversión de energía similar a una batería, pero con la diferencia de que están diseñadas para permitir el flujo continuo de combustible y un oxidante, los cuales sufren una reacción química controlada, dando lugar a los productos de la reacción y suministrando energía eléctrica a una fuente externa. Es decir, que mientras una batería normal entrega energía hasta agotarse los reactivos que la componen, en las celdas de combustibles se pueden suministrar continuamente los reactivos.

Muchas son las empresas que han puesto sus ojos en las celdas de combustible de hidrogeno para impulsar los vehículos eléctricos, ya brindan una mejor alternativa que los motores de combustión interna, ya que sus emisiones son limpias, y tienen más autonomía que los vehículos eléctricos que utilizan baterías.

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Las pilas de combustible de hidrógeno son una alternativa a los motores de combustión. Fuente: imagen editada, original de Maxipixel.net.

Pero igualmente otras empresas han visto algunas limitaciones en esta tecnología, y por lo tanto no pretenden implementarla en sus vehículos. Es por ello que para que los vehículos con pilas de combustible de hidrogeno logren una mayor aceptación se deben abordar algunos desafíos técnicos.

Veamos en qué consisten las pilas de combustible, cuales son las limitaciones que han impedido el auge de los vehículos de hidrogeno y una posible solución.

Principio de funcionamiento de las pilas de combustible

Las pilas de combustible de hidrogeno se basan en un proceso similar a la electrolisis inversa del agua, es decir, en lugar de utilizar electricidad para separar el agua en hidrogeno y oxígeno, mediante una reacción catalizada se combina el hidrogeno y oxigeno para formar agua y obtener electricidad.

Aunque existen diferentes tipos de celdas de combustibles, su funcionamiento es básicamente el mismo, y el ejemplo más común es el de las denominadas membranas de intercambio protónico (PEM), su esquema de funcionamiento básico es el mostrado en la imagen siguiente.

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Esquema de funcionamiento de una pila de combustible. Fuente: imagen elaborada en Powerpoint.

Como podemos ver, constan de dos electrodos, en el ánodo el combustible sufre la oxidación y en el cátodo el oxidante se reduce, estos elementos están separados por un electrolito que actúa como aislante y conductor de los protones, haciendo que los electrones viajen desde el ánodo hasta el cátodo a través del circuito externo, generando así electricidad en el proceso, la cual es aprovechada para mover un motor eléctrico.

Por lo general el combustible de este tipo de celda es gas hidrógeno y el oxidante es oxígeno. El hidrógeno es forzado mediante presión a atravesar el catalizador del ánodo, cuando la molécula de hidrógeno entra en contacto con el catalizador se separa en dos protones H+ y libera dos electrones; los electrones atraviesan el circuito y se desplazan hasta el catado, donde los protones se combinan el oxidante, desprendiendo vapor de agua como subproducto.

Estas pilas de combustible de suelen clasificar en función del tipo de combustible empleado y el tipo de electrolito utilizado, lo cual determina el tipo de iones que son transportados a través del electrolito.

En este campo de pilas de combustible, las celdas de membrana de intercambio de hidróxido son tecnologías emergentes que ofrecen entre sus ventajas la utilización de catalizadores más económicos, placas bipolares y membranas menos costosas que las pilas de combustible de membrana de intercambio de protones (PEM) convencionales.

Es por ello que estas pilas de combustible han despertado gran interés en los últimos años, ya que pueden convertir la energía química directamente en electricidad, pudiendo emplearse para impulsar vehículos con cero emisiones. Sin embargo estas pilas tienen una dificultad que las ha mantenido fuera del mercado de los vehículos, y es que su rendimiento es severamente afectado por el dióxido de carbono presente en el aire que es alimentado a la ceda para suministrar el oxígeno necesario para su funcionamiento.


El Toyota Mirai es uno de los primeros vehiculos en utilizar pilas de combustible. Fuente: Wikipedia.com.

Las limitaciones de la tecnología

Si bien las pilas de combustible nos podrían brindar un vehículo con cero emisiones y mejor rendimiento que un vehículo completamente eléctrico, la tecnología enfrenta limitaciones muy importantes, por un lado no hay una infraestructura que permita masificar vehículos que requieren hidrógeno, a muchos fabricantes y consumidores les preocupa que el hidrógeno sea aún más explosivo que la gasolina, y también se tiene el problema de que existen pocas instalaciones para producir hidrogeno mediante fuentes renovables, en general, el hidrogeno se obtiene de fuentes fósiles, por lo que no termina de resolver el problema.

Pero, si esto se puede resolver desarrollando la infraestructura y medidas de seguridad necesarias, aun queda por resolver el tema de la disminución de la eficiencia de las celdas debido al efecto del CO2.

Y es que el CO2 hace disminuir rápidamente la eficiencia de la pila en un 20%, lo que hace que la pila no tenga un rendimiento mejor que el de un motor a gasolina convencional. Prácticamente todo el CO2 que ingresa en las pilas de combustibles es retenido por estas, produciendo un efecto de carbonatación con las especies químicas presentes en el electrolito, una hipótesis es que el cátodo donde se recibe el aire forma carbonatos, que luego se acumulan en el ánodo, creando un gradiente de pH no deseado que interrumpe la cinética en el ánodo, dificultando las reacciones que deben producirse.

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El CO2 que entra en las pilas de combustible es retenido y produce un efecto de carbonatación que reduce su eficiencia. Fuente: imagen elaborada en powerpoint.

Posible solución

Pero este defecto parece que también podría aportar la solución al mismo problema, un grupo de ingenieros de la Universidad de Delaware se percató que las celdas de combustible eran realmente buenas capturando dióxido de carbono, y estudiando el proceso se dieron cuenta que eran muy eficientes en separando el CO2 que ingresa y evitando que saliera al otro lado. Entonces, este equipo de investigadores demostró que podían aprovechar este proceso de separación para colocar un dispositivo electroquímico aguas arriba de la pila de combustible que actuara como separador de dióxido de carbono, logrando capturar el 99% del dióxido de carbono presente en el aire en una sola pasada. Este método fue dado a conocer recientemente en la revista Nature Energy.

Este equipo encontró una forma de integrar la fuente de energía de la tecnología electroquímica contenida en la membrana de separación, y su método consiste en cortocircuitar internamente el dispositivo.

Al utilizar esta membrana en cortocircuito eléctrico, lograron obtener un dispositivo con el aspecto de una membrana de filtración de gases, pero que tiene la capacidad de recoger dióxido de carbono del aire mediante un proceso electroquímico más complejo. Y al ser una membrana en cortocircuito pudieron prescindir de otros componentes voluminosos, lo que les dio libertad a los investigadores de construir un módulo compacto en forma de espiral, obteniendo así una gran superficie en un volumen reducido, lo que lo puede hacer más rentable y eficiente para las aplicaciones en celdas de combustible.

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La membrana en cortocircuito eliminaría el CO2 del aire que entra en la pila de combustible. Fuente: imagen elaborada en powerpoint.

Según los investigadores, con su prototipo inicial de celda en espiral, del tamaño de una lata de refresco, fueron capaces de filtrar 10 litros de aire por minuto eliminando el 98% del dióxido de carbono presente.

Pensando en las aplicaciones para vehículos, los investigadores estiman que el dispositivo tendría aproximadamente el tamaño de un galón de leche, y su diseño compacto y con pocos componentes podría ayudar a minimizar los costos de implementación.

Esperemos que este dispositivo se desarrolle lo suficiente para hacer más eficiente las pilas de combustible de hidrogeno, una tecnología muy ansiada de implementar en los vehículos de transporte ya que su única emisión producida es agua, y que figura como una tecnología apropiada para mitigar el cambio climático si el hidrogeno puede obtenerse de forma sustentable.

Por otro lado, este desarrollo también luce prometedor como un sistema de captura de dióxido de carbono, para ser implementado en vehículos donde se requiere la eliminación del CO2 y la recirculación del aire, como por ejemplo submarinos y naves espaciales, donde la filtración del aire es fundamental.


Bueno amigos espero les haya gustado la información y les sirva para conocer un poco más de esta tecnología. ¡Hasta la próxima!


Referencias

Wikipedia.com. Pilas de combustible.

J. R.Varcoe, J. P. Kizewski, D. M. Halepoto, S. D. Poynton, R. C. T. Slade, F. Zhao (2009). ALKALINE FUEL CELLS | Anion-Exchange Membranes. Encyclopedia of Electrochemical Power Sources. Pages 329-343.

Shi, L., Zhao, Y., Matz, S. et al. (2022). A shorted membrane electrochemical cell powered by hydrogen to remove CO2 from the air feed of hydroxide exchange membrane fuel cells. Nature Energy.


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