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Fundamentos de las celdas de combustible de hidrógeno
Conozca los detalles científicos, las aplicaciones industriales y las principales ventajas de la descarbonización de esta crucial tecnología de energía limpia.
¿Qué es una celda de combustible de hidrógeno?
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Las celdas de combustible de hidrógeno son dispositivos que convierten la energía química del hidrógeno en electricidad. Funcionan mediante un proceso electroquímico en el que el hidrógeno se combina con el oxígeno para formar agua, generando electricidad como subproducto.
Las celdas de combustible de hidrógeno, una tecnología energética limpia muy prometedora, formarán parte integrante de los esfuerzos de descarbonización industrial. Hasta ahora, las celdas de combustible de hidrógeno se han utilizado en vehículos pesados, naves espaciales, centros de datos, almacenes y otros. Los posibles usos futuros abarcan desde dispositivos electrónicos portátiles hasta hospitales y aplicaciones militares.
¿Cómo funcionan?
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Las celdas de combustible de hidrógeno funcionan como los electrolizadores a la inversa. Mientras que los electrolizadores utilizan electricidad para descomponer el agua en hidrógeno y oxígeno, las celdas de combustible generan electricidad combinando hidrógeno con oxígeno para formar agua.
El combustible hidrógeno se suministra en el ánodo de la celda de combustible desde un tanque de almacenamiento externo, mientras que el oxígeno en el cátodo se extrae del aire. El hidrógeno se oxida (pierde electrones, se carga positivamente) en el ánodo, mientras que el oxígeno se reduce (gana electrones, se carga negativamente) en el cátodo. Se utiliza un electrolito para transferir iones entre el cátodo y el ánodo. Según el tipo de celda de combustible, se forma agua en el cátodo o en el ánodo.
Durante la oxidación, los electrones sobrantes viajan a través de un circuito de carga externo desde el ánodo hasta el cátodo. Esta corriente eléctrica proporciona la potencia de salida de la celda de combustible.
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Tipos de celdas de combustible de hidrógeno
Existen cuatro tipos principales de tecnologías de celdas de combustible de hidrógeno, que difieren principalmente en el electrolito utilizado para iniciar la oxidación. Cada una tiene sus propias ventajas.
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Celdas de combustible PEM
Las celdas de combustible de membrana de intercambio de protones (PEM) también se conocen como celdas de combustible de membrana electrolítica polimérica. El hidrógeno se suministra en el ánodo y se oxida mediante un catalizador. Los iones de hidrógeno atraviesan la PEM para llegar al cátodo, mientras que los electrones llegan al cátodo a través de un circuito de carga externo. El oxígeno se reduce en el cátodo, donde se combina con los iones de hidrógeno para formar agua. La corriente creada por el flujo de electrones proporciona la potencia de salida de la celda de combustible PEM.
Las celdas de combustible de hidrógeno PEM funcionan a temperaturas más bajas (normalmente entre 50 y 100 °C) que otras celdas de combustible de hidrógeno, al tiempo que proporcionan altas densidades de potencia y tiempos de arranque rápidos. Se están desarrollando principalmente para el transporte, incluidos los vehículos comerciales y de pasajeros, así como para posibles aplicaciones aeroespaciales.
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Celdas de combustible de óxido sólido
Las celdas de combustible de óxido sólido son muy duraderas y eficientes energéticamente, y resultan ideales para aplicaciones en las que puede aprovecharse el calor residual. A diferencia de las celdas de combustible PEM, sus largos tiempos de arranque y sus elevadas temperaturas de funcionamiento, de hasta 1000 °C, hacen que no sean óptimas para la mayoría de las aplicaciones de transporte. Las celdas de combustible de óxido sólido se están desarrollando principalmente para generadores de energía estacionarios en edificios como hospitales y centros de datos.
Debido a sus altas temperaturas de funcionamiento, las celdas de combustible de óxido sólido deben ser extremadamente duraderas. Los componentes de las celdas de combustible fabricados con Fibras y Textiles Cerámicos 3M™ Nextel pueden soportar temperaturas extremas y varios ciclos térmicos para ayudarle a proteger la integridad de la celda y prolongar la vida útil de la misma.
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Celdas de combustible alcalinas
Las celdas de combustible alcalinas utilizan un electrolito alcalino acuoso (normalmente hidróxido potásico) para conducir los iones de hidróxido del cátodo al ánodo. También se ha experimentado con celdas de combustible alcalinas de estado sólido que utilizan una membrana de intercambio aniónico. En el ánodo se forma agua, lo que genera un flujo de electrones en el circuito de carga.
Las celdas de combustible alcalinas son el tipo más antiguo de celdas de combustible de hidrógeno. Inventadas en 1932, la NASA las utilizó en las misiones Apolo de 1968 a 1972. Aunque las celdas de combustible alcalinas han sido sustituidas en gran medida por las alternativas PEM o de óxido sólido, se utilizan en aplicaciones espaciales debido a su alta eficiencia energética y fiabilidad. El costo relativamente bajo de los materiales es otra ventaja de las celdas de combustible alcalinas.
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Celdas de combustible de ácido fosfóricoLas celdas de combustible de ácido fosfórico utilizan un electrolito líquido de ácido fosfórico. Al igual que las celdas de combustible PEM, los iones de hidrógeno pasan a través del electrolito hasta el cátodo, mientras que los electrones fluyen a través del circuito de carga. Los iones de hidrógeno se combinan con el oxígeno para formar agua en el cátodo.
En comparación con otras celdas de combustible de hidrógeno, las celdas de combustible de ácido fosfórico presentan una mayor tolerancia a impurezas como el CO₂ en el flujo de combustible. Esto permite utilizar el hidrógeno producido a partir del reformado con vapor, que emite CO₂ como subproducto. Al funcionar a temperaturas de 150-200 °C, permiten una colecta eficaz del calor residual sin las temperaturas extremas de las celdas de combustible de óxido sólido.
Abrir la puerta a la tecnología de energía limpia
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La importancia del hidrógeno ecológicoSe espera que las celdas de combustible de hidrógeno desempeñen un papel fundamental en la transición hacia una energía limpia y contribuyan a alcanzar los objetivos climáticos mundiales. Durante el funcionamiento de una celda de combustible solo se generan tres elementos: electricidad, calor y agua.
Sin embargo, esto no convierte necesariamente a las celdas de combustible de hidrógeno en una tecnología de cero emisiones. Durante la producción de hidrógeno pueden seguir emitiéndose CO₂ en función de las materias primas y las fuentes de energía utilizadas.
El hidrógeno producido mediante electrólisis del agua, utilizando fuentes de energía renovables de bajas emisiones, como la eólica o la solar, se denomina hidrógeno ecológico. Las celdas de combustible alimentadas con hidrógeno ecológico pueden proporcionar una energía sustancial con una huella de carbono muy pequeña, ayudando a reducir la dependencia de la industria de los combustibles fósiles y abriendo el camino a la descarbonización.
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Un vector energético renovableEs importante entender que el hidrógeno no es una fuente de energía. A diferencia de los combustibles fósiles, que se producen de forma natural en el subsuelo y proporcionan energía una vez extraídos y refinados, la producción de hidrógeno siempre consume más energía de la que proporciona en combustible.
En cambio, el hidrógeno es un vector energético, permite almacenar, transportar y utilizar la energía suministrada originalmente por otras fuentes.
Para fuentes de energía intermitentes como la eólica o la solar, la producción del combustible de hidrógeno es un medio de almacenar el exceso de energía generado durante los periodos de máxima producción. Las celdas de combustible permiten acceder a esta energía durante los periodos valle y en aplicaciones (como los vehículos) alejadas de la fuente de energía. Este es el papel fundamental que desempeñan las celdas de combustible de hidrógeno en la tecnología de las energías limpias y la descarbonización de la industria.
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Ventajas sobre las baterías
- Al igual que las celdas eléctricas de iones de litio, las celdas de combustible de hidrógeno permiten utilizar la energía renovable en una amplia variedad de aplicaciones. A diferencia de las baterías, las celdas de combustible convierten el combustible de un depósito de hidrógeno en energía, en lugar de almacenarla en ellas mismas.
Las celdas de combustible de hidrógeno ofrecen varias ventajas sobre las baterías de iones de litio.
En primer lugar, el hidrógeno es mucho más denso energéticamente que la batería típica. En aplicaciones automotrices, una celda de combustible de hidrógeno y un depósito de almacenamiento pueden permitir una mayor autonomía, con menos peso, que los diseños comparables de vehículos impulsados por baterías.
En segundo lugar, el repostaje de las celdas de combustible es mucho más rápido por término medio que la recarga de las baterías. Esto es fundamental en el transporte comercial y marítimo (camiones semirremolque de largo recorrido y furgonetas de reparto de última milla), donde los tiempos de inactividad de los vehículos deben reducirse al mínimo.
Por último, las celdas de combustible de hidrógeno tienen una vida útil mucho más larga que la mayoría de las baterías de iones de litio y permiten un mejor reciclaje al final de su vida útil. Esto reduce la huella de carbono derivada de la fabricación de celdas de combustible.
- Al igual que las celdas eléctricas de iones de litio, las celdas de combustible de hidrógeno permiten utilizar la energía renovable en una amplia variedad de aplicaciones. A diferencia de las baterías, las celdas de combustible convierten el combustible de un depósito de hidrógeno en energía, en lugar de almacenarla en ellas mismas.
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