Funcionamiento y mantenimiento de una pila de combustible

El principio de la pila de combustible fue descubierto en 1838 por el físico germano-suizo Christian Friedrich Schönbein. Rodeó dos alambres de platino en ácido sulfúrico (electrolito) con hidrógeno y oxígeno y pudo detectar una tensión eléctrica entre los alambres. El físico británico Sir William Grove también iba a bordo. Ya entonces, numerosos científicos postularon que el agua podría ser el carbón del futuro. Pero claro, entonces ya se necesitaba electricidad para producir hidrógeno. En el mejor de los casos, hablamos ahora de hidrógeno verde producido a partir de electricidad procedente de energías renovables.

Una pila de combustible es un convertidor de energía. La energía de reacción química del hidrógeno y el oxígeno se transforma en energía eléctrica y térmica. La oxidación del hidrógeno y la reducción del oxígeno se consiguen por separación espacial con ayuda de un electrolito. Se puede aprovechar la violenta reacción de la conocida "prueba del oxihidrógeno", o la energía liberada cuando el hidrógeno y el oxígeno reaccionan para formar agua.
Existen diversos tipos de pilas de combustible que utilizan gas natural o metanol como combustible, por ejemplo, así como otros electrolitos o agentes oxidantes. Sin embargo, el tipo más común para su uso en automóviles/camiones es la pila de combustible de hidrógeno-oxígeno, por ejemplo la pila de combustible PEM de baja temperatura (pila de combustible de membrana de intercambio protónico, pila de combustible de membrana de intercambio protónico, PEMFC).

La pieza central de la pila de combustible PEM es el stack. Las pilas contienen un gran número de membranas de intercambio protónico dispuestas en serie, que son permeables a los protones, mientras que se impide el transporte de hidrógeno y oxígeno. La membrana individual (electrolito sólido) consiste en una lámina central a la que se aplican alternativamente los electrodos (ánodo (-) / cátodo (+), incluido un catalizador. El PEM está encerrado en una capa de difusión abierta al gas.

Las denominadas placas bipolares están dispuestas alrededor de las unidades de electrodos-membrana de la pila. Por "bipolar" se entiende la placa anódica portadora de hidrógeno y la placa catódica portadora de oxígeno. Las placas bipolares se utilizan para la distribución homogénea del hidrógeno y el oxígeno, el sellado hacia el exterior, la refrigeración de la pila de combustible y la conexión eléctrica de las células. Se caracterizan por sus canales complejos y suelen estar hechas de grafito, metal o materiales compuestos.

En el centro de la pila de combustible PEM se encuentra la membrana en forma de placa rectangular, envuelta en las placas bipolares. El ánodo recibe hidrógeno y el cátodo, oxígeno. Ambos electrodos están conectados entre sí. El catalizador de metal precioso divide las moléculas de gas. Las moléculas de hidrógeno (H2) se dividen en dos protones. Cada átomo de hidrógeno libera su electrón. Ahora los protones migran a través de la membrana semipermeable hacia el cátodo opuesto, cargado positivamente, mientras que los electrones toman los desvíos a través de la línea de conexión entre el ánodo y el cátodo. Cuando los protones y electrones del hidrógeno llegan al lado del cátodo, el oxígeno produce agua en una reacción. El subproducto de esta reacción química es el calor y la energía eléctrica. Se puede tomar una tensión en las placas extremas o en la unión del ánodo y el cátodo.

Por ejemplo, los filtros de aire especiales protegen contra las partículas más pequeñas. Para adsorber los gases nocivos del aire, el filtro está equipado adicionalmente con capas de carbón activado u otros medios absorbentes. Estos retienen los gases nocivos y protegen la pila de combustible. Los requisitos de filtración del aire son mucho más estrictos para las pilas de combustible que para los motores de combustión.

Si el aire es demasiado seco, la membrana de la pila de combustible se seca. Esto puede reducir la resistencia mecánica de la membrana, responsable del transporte de protones. El agua del producto de reacción puede transferirse del aire de escape, el lado húmedo, al aire de alimentación, el lado seco de la pila de combustible, a través de un humidificador.

Sin embargo, si la humedad del aire es demasiado alta, puede condensarse en gotas de agua. Estas pueden bloquear las estructuras finas de la capa de difusión de gas o la capa microporosa. Las gotas de agua que golpean el lado de la turbina del compresor eléctrico también tienen un efecto negativo en la durabilidad de la pila de combustible. Por este motivo, se utilizan separadores de agua adicionales.

El tema de la acústica es interesante con una pila de combustible, ya que no se trata de componentes mecánicos como en un motor de combustión. De hecho, los ruidos molestos pueden producirse en el compresor eléctrico o como ruidos de flujo en las tuberías. Unos resonadores adecuados amortiguan el ruido no deseado.

La pila de combustible en sí (teóricamente) no requiere mantenimiento y está diseñada como un conjunto para un elevado número de horas de funcionamiento. No obstante, los elementos filtrantes deben sustituirse a intervalos regulares. El granulado del intercambiador de iones, que garantiza que la conductividad del refrigerante se encuentre en el rango correcto, también es específico del sistema. También debe cambiarse a intervalos fijos. Lo mismo se aplica al filtro de aire catódico. También debe cambiarse periódicamente. Luego está el circuito de refrigeración. Aquí se encuentran otros componentes relevantes para el mantenimiento: el filtro del intercambiador de iones y el filtro de partículas del refrigerante. Esto significa que los talleres de automóviles y camiones no deberían quedarse sin trabajo, ni siquiera cuando revisen vehículos con pilas de combustible.

Los vehículos de pila de combustible, especialmente los camiones, muestran sus puntos fuertes cuando se requieren grandes autonomías (como largas distancias) y tiempos de repostaje rápidos. Pueden repostarse en pocos minutos. Si se tiene en cuenta el denominado enfoque Well2Wheel (desde la producción de hidrógeno hasta la energía de propulsión), los expertos estiman que la pila de combustible alcanza una eficiencia de entre el 30% y el 40%. Los combustibles sintéticos (también basados en hidrógeno verde) tienen una eficiencia de entre el 20% y el 40%. Entre el 60% y el 70%, los vehículos eléctricos de batería muestran aquí valores significativamente más altos, pero actualmente siguen sujetos a limitaciones en términos de tiempo de carga y autonomía. En principio, sin embargo, los valores dependen en gran medida de la tecnología respectiva, las condiciones del emplazamiento, la fuente de energía y otros factores. Los rápidos avances tecnológicos pueden seguir teniendo un gran impacto en la eficiencia de cada una de las tres tecnologías en el futuro.
Sin embargo, el hidrógeno como combustible representa una oportunidad muy interesante para desvincular la producción de hidrógeno verde y su uso, tanto en términos de ubicación como de tiempo, y poder ofrecer así sistemas de propulsión eficientes y respetuosos con el medio ambiente. La pila de combustible es, por tanto, una opción muy interesante en la combinación de propulsores del futuro.