Si bien los vehículos eléctricos e híbridos están firmemente arraigados como tecnologías que maduran, todavía se necesita mucho desarrollo para almacenar la energía eléctrica de una manera segura, conveniente y rentable. Como posible solución a las costosas baterías de almacenamiento, la mayoría de los fabricantes de todo el mundo están estudiando formas de aprovechar el hidrógeno para generar electricidad para impulsar los motores de tracción eléctrica.

Las celdas de combustible de hidrógeno que emplean membranas de intercambio de protones, también conocidas como celdas de combustible de membrana de electrolito polimérico (PEM) (PEMFC), ya han tenido una producción en serie limitada en vehículos como el Mirai de Toyota. 

Las pilas de combustible constan de MEA (conjuntos de electrodos de membrana) intercalados entre separadores. Un MEA es una membrana de electrolito de polímero sólido con capas de catalizador aplicadas.

Estas celdas generan electricidad a través de una reacción química entre hidrógeno y oxígeno: el hidrógeno y el aire ambiental se suministran respectivamente al ánodo (electrodo negativo) y al cátodo (electrodo positivo) de las celdas de combustible para generar electricidad.

Dado que una celda produce menos de un voltio, varios cientos de celdas están conectadas en serie para aumentar el voltaje. Este cuerpo combinado de células se denomina pila de pilas de combustible. 

Además, aunque las pequeñas pilas de combustible PEM funcionan a presión de aire normal, las pilas de combustible más grandes, de 10 kW o más, suelen funcionar a presiones más altas. Las ventajas y desventajas de operar a mayor presión son complejas, y los argumentos no son del todo claros, con muchos puntos de vista convincentes de ambos lados. 

Sobrealimentación de la pila de combustible de hidrógeno 

Al igual que con los motores de combustión interna convencionales, el propósito de aumentar la presión en una pila de combustible es aumentar la potencia específica extrayendo más potencia de la celda del mismo tamaño. Idealmente, el costo, el tamaño y el peso adicionales del equipo de compresión serán menores que el costo, el tamaño y el peso de simplemente obtener la energía adicional aumentando el tamaño de la pila. 

En el caso de los ICE, las ventajas superan claramente a las desventajas. Sin embargo, con las pilas de combustible, el equilibrio entre ventajas y desventajas es mucho más estrecho. Sobre todo, esto se debe a que hay poca energía en el gas de salida del PEMFC, y cualquier compresor debe funcionar en gran parte o en su totalidad utilizando la preciosa energía eléctrica producida por la pila de combustible.

magen 1: Esquema de un sistema de pila de combustible
Fuente de la imagen: James Larminie, Andrew Dicks (Explicación de los sistemas de pila de combustible)

El tipo más simple de celda de combustible PEM presurizada es aquella en la que el gas hidrógeno proviene de un cilindro de alta presión. En este diseño solo se debe comprimir el aire; el gas hidrógeno se alimenta desde un recipiente presurizado y, por lo tanto, su compresión “se libera”. Este método de alimentar hidrógeno al ánodo se conoce como amortiguamiento; lo que implica que no hay ventilación o circulación del gas, es completamente consumido por la celda.

Sin embargo, el compresor de aire debe ser accionado por un motor eléctrico, que por supuesto consume parte de la valiosa electricidad generada por la pila de combustible. Normalmente, para un sistema de 100 kW, el consumo de energía será aproximadamente el 20% de la energía de la celda de combustible. Al igual que en los ICE, para una eficiencia óptima, el aire comprimido también debe enfriarse antes de ingresar a la celda PEM.

Equilibrar la presión para optimizar el rendimiento

Como se trata de una tecnología joven en evolución, es necesario probar y desarrollar la fiabilidad y la durabilidad de estas pilas de combustible “sobrealimentadas” para que se adopten ampliamente. Por lo tanto, se está llevando a cabo una considerable investigación y desarrollo para mejorar el rendimiento y la vida útil.

La prueba en condiciones controladas es un paso importante hacia la viabilidad y la absorción de las pilas de combustible. Los datos de medición detallados son cruciales como información de entrada para crear modelos del funcionamiento de la pila de combustible. Sin embargo, a pesar del interés generalizado, las técnicas de medición adecuadas aún están en proceso de desarrollo.

Normalmente, la pila de combustible PEM funciona a presiones que van desde casi la ambiente hasta aproximadamente 3 bar y a temperaturas entre 50 y 90 ° C. Se logra una alta densidad de potencia a presiones de funcionamiento más altas, pero la eficiencia neta del sistema puede ser menor debido a la potencia necesaria para comprimir el aire. Las temperaturas del aire más altas también aumentan la densidad de energía, pero pueden representar un desafío significativo para la gestión del agua y el calor, especialmente a presiones de funcionamiento más bajas.

Por lo tanto, la selección de la temperatura y presión de funcionamiento del sistema de celda de combustible PEM automotriz debe basarse en (a) alta eficiencia neta del sistema, (b) tamaño de componente pequeño y (c) balance de agua neutral o positivo para que el vehículo no tenga que hacerlo. llevar un depósito a bordo.

El aumento de potencia resultante de operar una celda de combustible PEM a una presión más alta es principalmente el resultado de la reducción en la sobretensión de activación del cátodo, porque la presión aumentada aumenta la densidad de corriente de intercambio, lo que tiene el efecto aparente de elevar la tensión de circuito abierto (OCV ), como se describe en la ecuación de Nernst.

Sin embargo, como se mencionó anteriormente, esta sobrealimentación se produce a expensas de la potencia que produce la celda de combustible presurizada, de ahí la importancia de equilibrar la presión con los requisitos de la celda de combustible específica. Al igual que con las presiones de refuerzo de ICE, esto solo se puede hacer tomando medidas de presión precisas utilizando sensores de presión de alta calidad que están cuidadosamente calibrados para el entorno.

Estas mediciones de presión, registradas con  sensores de laboratorio suministrados por STS, se comparan luego con las salidas de la pila de combustible para minimizar las pérdidas parásitas mientras se optimizan las ganancias en la salida eléctrica.

A medida que la tecnología de celdas de combustible de hidrógeno para automóviles madura y los datos recopilados de ensayos del mundo real se utilizan para producir modelos predictivos, los ingenieros e investigadores sin duda obtendrán una mejor comprensión de la compleja interrelación entre temperatura, presión y eficiencia: pero mientras tanto esta investigación dependerá en gran medida de sensores de calidad que registren datos precisos.