La pila de combustible de hidrógeno para vehículos

Escrito por Agustín Galetti El futuro de la industria automotriz es claro: coches eléctricos. Si bien las tecnologías basadas en baterías de litio han mostrado avances importantes en los últimos años, aún no se alcanzan densidades energéticas equivalentes a los combustibles tradicionales. Es que si comparamos la energía contenida en un kilogramo de combustible líquido utilizado en un motor de combustión interna respecto de la energía contenida en un kilogramo de baterías de Litio nos damos idea del problema (ver tabla). Para una correcta comparación de la energía disponible con cada combustible tendríamos que considerar la eficiencia en su aprovechamiento. En motores de gasolina (motor Otto) la eficiencia máxima que se podría alcanzar está entre 25-30% y un motor diésel entre 30-45%. Sin embargo, en el mundo real éstas suelen ser menores. En el caso de los motores eléctricos la eficiencia suele estar comprendida entre 85 y 90%. Aun así, la superioridad de los combustibles líquidos tradicionales frente a las baterías de litio es indiscutible y mucho más si comparamos los tiempo de recarga.

Fuentes de energía utilizadas en vehículos

Fuente de energía	MJ / kg	MJ / L	Tiempo de recarga promedio
Baterías de Litio	0.31 – 0.49	2.5	2–13 horas (según potencia disponible)
Gasolina	23.65	34.78	3 – 5 minutos
Diésel	32.85	38.65
Etanol	30	24
Hidrógeno (690bar, 15°C)	120	4500	4 - 6 minutos
Hidrógeno (gas)	120	0.01005

Hidrógeno para la generación de electricidad

Una opción atractiva es la utilización de hidrógeno para la producción de energía eléctrica a bordo del vehículo. La reacción del hidrógeno con oxígeno atmosférico da como productos agua y electricidad siempre y cuando la reacción se realice dentro de una celda electroquímica denominada “pila de combustible”. Si bien existen distintos tipos de pilas las más apropiadas para aplicaciones a bordo son las denominadas PEMFC (Proton Exchange Membrane Fuel Cell). Quizás la característica más destacable de las pilas de combustible es que al ser un elemento electroquímico no están sometidas a las restricciones del ciclo de Carnot y por lo tanto su eficiencia es mucho mayor que la de los motores de combustión interna y son orden del 55-60%. El hidrógeno es elemento más abundante del universo y del planeta tierra. A pesar de esto el hidrógeno se encuentra mayormente combinado con otros elementos formando el agua, la materia orgánica, combinado con metales, etc. Por lo cual resulta necesario liberarlo a su forma gaseosa diatómica H2 antes de introducirlo en una pila de combustible. Actualmente la producción de hidrógeno a escala industrial se realiza por reformado de hidrocarburos (derivados del petróleo o de origen renovable) o electrólisis de agua. Ambos procesos requieren el aporte de energía para la liberación del hidrógeno, lo cual incide en el costo de producción.

El desafío de almacenar hidrógeno en el vehículo

Actualmente, el mayor desafío para la implementación de esta tecnología en aplicaciones a bordo de automóviles radica en la dificultad de almacenar el hidrógeno. Si bien el hidrógeno gaseoso en condiciones normales de presión y temperatura contiene una gran cantidad de energía por kilogramo, no sucede lo mismo en base volumétrica (ver tabla). Para reducir su volumen es necesario comprimirlo y almacenarlo a presiones del orden de los 700 bar. Para contener el gas a estas presiones es necesario que el tanque posea paredes tan gruesas que lleven a que su peso supere por mucho al peso del gas que contiene. En estas condiciones la relación energía contenida por kilogramo de tanque con hidrógeno se reduce drásticamente. Otras alternativas para la acumulación del hidrógeno son los tanques para almacenamiento de hidrógeno líquido (−252,87 °C) y el almacenamiento en óxidos sólidos. La primera alternativa requiere de elevados costos de licuefacción del gas y además de tanques provistos con un elevado grado de aislación térmica. Por otro lado, ciertos hidruros metálicos son capaces de almacenar el hidrógeno en su red cristalina y luego liberarlo al elevar su temperatura. Esta tecnología es muy prometedora, sin embargo, en la actualidad su eficiencia es muy baja.

La pila de combustible de hidrógeno

Existe otra tecnología en desarrollo y es la denominada DFC (direct fuel cells) o Pilas de combustibles directas. Se trata de pilas de combustibles que son alimentadas con combustibles líquidos los cuales son reformados o descompuestos en H2 y CO2 para luego dar la reacción de formación de agua y electricidad. Se podría decir que en estas celdas ocurre la producción de H2 y producción de electricidad dentro de la misma unidad. Las DFC más estudiadas son las de metanol (Direct-Methanol Fuel Cell) y la de etanol (Direct-ethanol Fuel Cell).  Si bien en el caso del etanol éste podría ser utilizado directamente en un motor de combustión interna (Otto), la ventaja en el uso de esta tecnología radica en que no es necesario deshidratarlo totalmente y además que la eficiencia en el aprovechamiento de su energía será mayor al tratarse de un proceso electroquímico y no térmico. Una tecnología similar a las DFC es el reformado catalítico de combustibles a bordo de vehículos para alimentar pilas de combustibles. Esta tecnología también está siendo estudiada y compite de forma directa con la tecnología de las DFC ya que presentaría las mismas ventajas operativas. El reformado catalítico requiere de catalizadores selectivos y estables que garanticen la producción de hidrógeno libre de monóxido de carbono, ya que la presencia de éste reduce la vida útil de los electrodos de las pilas. Los autos eléctricos a baterías de litio para recarga estacionaria representan una tecnología de transición hacia los automóviles capaces de producir su propia energía eléctrica abordo de manera eficiente. Los avances en materia de almacenamiento y producción de hidrógeno abordo son la clave para el desarrollo de automóviles eléctrico más eficiente y amigables con el medio ambiente.

Bibliografía:

https://batteryuniversity.com/learn/article/electric_vehicle_ev https://cdn.shopify.com/s/files/1/0674/3651/files/panasonic-ncr18650-ga-spec-sheet.pdf https://www.conducetuciudad.com/es/recarga-del-coche-electrico/tiempo-de-recarga https://cleantechnica.com/2018/08/11/hydrogen-fuel-cell-battery-electric-vehicles-technology-rundown/ https://www.motorpasion.com/coches-hibridos-alternativos/vehiculos-electricos-de-pila-de-combustible-de-hidrogeno https://www.hydrogenics.com/technology-resources/hydrogen-technology/fuel-cells/ https://www.topspeed.com/cars/fuel-cell-cars/ke4483.html Comparte tu opinión sobre la pila de combustible de hidrógeno  y descubre qué mas puede hacer ennomotive por ti. Únete a nuestra comunidad de ingenieros