Hidrógeno y pila de combustible

Tipos de hidrógeno y pilas de combustible

Una pila de combustible de hidrógeno es un dispositivo electroquímico que convierte la energía química del hidrógeno en electricidad, calor y agua. Las pilas de combustible de hidrógeno se clasifican ampliamente en función de los tipos de electrolitos que utilizan.

• Pilas de combustible de membrana de intercambio de protones (PEMFC)

  El tipo más común de pila de combustible de hidrógeno es la PEMFC, que utiliza un polímero sólido como electrolito. Las membranas de intercambio de protones proporcionan altas densidades de potencia. Además, ofrecen bajas temperaturas de funcionamiento, lo que las hace ideales para una variedad de aplicaciones, incluidos vehículos, fuentes de energía portátiles y sistemas de energía de respaldo. Las pilas de combustible de membrana de intercambio de protones funcionan a aproximadamente 60 a 80 grados Celsius. Sin embargo, se descubrió que algunas pilas de combustible de este tipo operaban a alrededor de 200 grados Celsius.

• Pilas de combustible alcalinas (AFC)

  En lugar de utilizar un polímero sólido, las pilas de combustible alcalinas utilizan una solución líquida de hidróxido de potasio como conductor electrolítico. La reacción tiene lugar en agua, que luego actúa como catalizador para el paso de protones y electrones. Las AFC tienen una alta eficiencia y el potencial de una alta densidad de energía de salida. Sin embargo, las AFC son más sensibles al CO2 en el aire, lo que puede impedir su funcionamiento. Esto las hace adecuadas para aplicaciones espaciales donde los niveles de CO2 se pueden controlar. Las pilas de combustible alcalinas funcionan a alrededor de 25 a 70 grados Celsius.

• Pilas de combustible de ácido fosfórico (PAFC)

  Las pilas de combustible de ácido fosfórico utilizan ácido fosfórico líquido como electrolito. Las PAFC son menos sensibles a la temperatura y al CO2 que las AFC, lo que las hace más adecuadas para aplicaciones comerciales e industriales. Sin embargo, tienen una menor eficiencia y mayores emisiones que algunos otros tipos de pilas de combustible. Las PAFC se utilizan en aplicaciones de generación de energía estacionaria más grandes, como en plantas de energía conectadas a la red, y funcionan a alrededor de 150 a 210 grados Celsius.

• Pilas de combustible de carbonato fundido (MCFC)

  Como su nombre lo indica, las pilas de combustible de carbonato fundido utilizan sales de carbonato fundidas como electrolito. La alta temperatura de funcionamiento de las MCFC las hace más eficientes y capaces de producir grandes cantidades de energía. Las MCFC se utilizan principalmente en entornos industriales y comerciales que necesitan mucha energía todo el tiempo.

• Pilas de combustible de óxido sólido (SOFC)

  Las pilas de combustible de óxido sólido se destacan por utilizar un material cerámico como electrolito. Los electrolitos de óxido sólido tienen una alta conductividad iónica, lo que los hace más adecuados para la generación de energía a largo plazo y eficiente. De hecho, las pilas de combustible de óxido sólido tienen la mayor eficiencia. Las SOFC se pueden utilizar tanto en aplicaciones estacionarias como móviles. Esto incluye todo, desde áreas residenciales hasta industrias automotrices, así como fuentes de energía portátiles. Pueden funcionar en un amplio rango de temperaturas, de aproximadamente 800 a más de 1.000 grados Celsius.

Especificaciones y mantenimiento de hidrógeno y pilas de combustible

Los generadores de pilas de combustible de hidrógeno de factor de forma pequeño (HFC) suelen utilizar menos de 1 gramo de platino por kilovatio. La cantidad objetivo es de alrededor de 0,5 gramos, que es más común en los modelos comerciales. En 2018, algunos prototipos incluso no utilizaron platino en absoluto. Dependían únicamente de los óxidos de níquel y hierro de los electrodos.

Ningún modelo de HFC funciona sin una membrana. Se fabrican en gran número, o conjuntos de electrodos de membrana ((MEA) son conocidos en la industria) con un número limitado de proveedores. Las membranas son conocidas por su durabilidad, permeabilidad iónica y conductividad protónica. La cantidad de platino requerida es más esencial que el precursor del combustible. El combustible debe estar libre de hidrocarburos y contaminantes. El hidrógeno puro puede provenir del metanol o del gas natural mediante reformado.

Los usuarios pueden mejorar la vida útil y la eficiencia del HFC realizando un mantenimiento de rutina. Pueden mantener la entrada y salida de aire libres de residuos. La entrada de aire facilita la difusión del oxígeno al lado del ánodo a través de la membrana electrolítica. El HFC puede dañarse si las rutas de escape aleatorias se bloquean y se libera algo de dióxido de carbono al medio ambiente. Los usuarios también deben practicar una limpieza regular y exhaustiva. La limpieza regular elimina los contaminantes y permite que el aire fluya sin problemas a través de la pila de combustible. El proceso de limpieza depende del tipo de pila de combustible. Puede tomar la forma de cepillado, aspiración o soplado con aire comprimido. Si la limpieza no funciona, las pilas de combustible pueden desmontarse para una limpieza más detallada. Los usuarios aún deben tener precaución y limpiar solo las partes no eléctricas de la celda.

• Pilas de combustible de hidrógeno pequeñas: 5W a 20W
• Pilas de combustible de hidrógeno medianas: 100W a 2kW
• Pilas de combustible de hidrógeno grandes: 5kW a 20MW

Los usuarios también deben reemplazar las juntas y las juntas tóricas del sistema. Estos componentes compensan la expansión y contracción térmica de la pila de combustible. Evitan que los gases se filtren hacia adentro o hacia afuera de la pila de combustible. Las juntas y las juntas tóricas pueden deteriorarse con el tiempo, comprometiendo la integridad de la pila de combustible. Los usuarios pueden comprobar las propiedades hidrofóbicas de la membrana. Debe repeler el agua para ayudar en el movimiento eficiente de los protones. Si pierde esta propiedad, los usuarios deben volver a colocarla o reemplazarla.

Escenarios de la industria del hidrógeno y las pilas de combustible

• Sector del transporte:

  El hidrógeno y las pilas de combustible tienen un gran potencial en el campo del transporte. Se pueden utilizar en vehículos propulsados por hidrógeno como automóviles, autobuses, camiones y también en el transporte ferroviario y marítimo. La tecnología del hidrógeno y las pilas de combustible puede proporcionar energía limpia para estos medios de transporte, lo que reduce la dependencia de los combustibles fósiles y disminuye las emisiones de carbono.

• Generación de energía:

  El hidrógeno y las pilas de combustible se pueden aplicar ampliamente en el campo de la generación de energía. Se pueden utilizar para sistemas de generación de energía descentralizados que proporcionan electricidad para plantas industriales, centros comerciales, centros de datos, etc. Además, el hidrógeno y las pilas de combustible también se pueden combinar con la generación de energía de fuentes de energía renovables, como la eólica, la solar, etc., para formar un sistema de producción de hidrógeno y generación de energía de pilas de combustible, lo que mejora la utilización de las energías renovables.

• Aplicaciones industriales:

  El hidrógeno es una materia prima industrial versátil. El hidrógeno y las pilas de combustible se pueden utilizar ampliamente en industrias químicas como la petroquímica, la producción química, la metalurgia, etc. Por ejemplo, en la industria química, el hidrógeno se puede utilizar para reacciones de hidrogenación, síntesis de productos químicos y más.

• Aplicación de centro de datos:

  El centro de datos es la base para el funcionamiento de Internet y la computación en la nube. La tecnología del hidrógeno y las pilas de combustible puede proporcionar soluciones de energía de respaldo para los centros de datos. Los sistemas de generación de energía de pilas de combustible pueden responder rápidamente a la demanda de energía de los centros de datos, proporcionándoles electricidad estable y confiable. Además, el sistema de pilas de combustible modular y escalable puede satisfacer las crecientes necesidades energéticas de los centros de datos.

• Suministro de energía para edificios:

  El hidrógeno y las pilas de combustible se pueden utilizar para suministrar energía a los edificios. Se pueden utilizar como un dispositivo de conversión de energía para proporcionar electricidad limpia y baja en carbono para edificios residenciales y comerciales. Además, el hidrógeno y las pilas de combustible se pueden combinar con energías renovables como la energía solar, lo que mejora la utilización de la energía.

Cómo elegir hidrógeno y pilas de combustible

Al seleccionar productos de pilas de combustible de hidrógeno para invertir o revender, se deben analizar varios factores esenciales antes de tomar una decisión.

• Análisis de la demanda de la aplicación:

  En primer lugar, es esencial una evaluación exhaustiva de la demanda de las áreas de aplicación potenciales de la tecnología de pilas de combustible. Es importante identificar los mercados objetivo, como la industria automotriz, los dispositivos electrónicos portátiles, los equipos de manejo de materiales o la generación de energía estacionaria. Comprender los requisitos de potencia específicos y el viaje aéreo de estas aplicaciones ayudará a alinear las decisiones de inversión o compra con las demandas del mercado.

• Evaluación del rendimiento de las células:

  Al seleccionar productos de pilas de combustible de hidrógeno, es importante evaluar el rendimiento de las células. Los indicadores clave de rendimiento, como la densidad de potencia, la eficiencia, la durabilidad y el rango de temperatura de funcionamiento, deben considerarse cuidadosamente. Elegir células con un rendimiento óptimo garantizará la competitividad y la confiabilidad en el dominio de aplicación elegido.

• Integración del sistema y escalabilidad:

  Para aquellos que pretenden invertir en tecnología de pilas de combustible de hidrógeno, es crucial examinar las perspectivas de integración del sistema y la escalabilidad. Es esencial determinar si los productos de pilas de combustible seleccionados pueden integrarse sin problemas con otras tecnologías y sistemas, como fuentes de energía renovables, sistemas de almacenamiento de energía o infraestructura de redes inteligentes. Además, también se debe considerar la capacidad de aumentar la capacidad de producción para satisfacer la creciente demanda del mercado.

• Cadena de suministro y soporte técnico:

  Teniendo en cuenta la viabilidad comercial de la tecnología de pilas de combustible de hidrógeno, es importante evaluar la cadena de suministro y el soporte técnico del producto de la pila de combustible. Esto implica investigar los socios de fabricación de la celda y evaluar su experiencia y reputación en la industria. Además, garantizar el acceso al soporte técnico esencial, los recursos y la capacitación es crucial para el éxito y el desarrollo sostenidos del producto.

P&R

P: ¿Cuáles son los dos tipos principales de pilas de combustible de hidrógeno?

R: Los dos tipos principales son la pila de combustible de membrana de intercambio de protones (PEMFC) y la pila de combustible de carbonato fundido (MCFC).

P: ¿En qué mercados se utilizan las pilas de combustible de hidrógeno?

R: Las pilas de combustible de hidrógeno se utilizan actualmente en los mercados de manejo de materiales, transporte, energía de respaldo y generación de energía primaria.

P: ¿Cuáles son los desafíos de la energía del hidrógeno?

R: Los desafíos de la energía del hidrógeno incluyen el alto requisito energético de su producción, los problemas relacionados con el transporte y el almacenamiento, y la necesidad de avances tecnológicos y desarrollo de infraestructura para que el hidrógeno sea una solución energética generalizada.

P: ¿Cuál es el futuro de la energía del hidrógeno?

R: Los expertos creen que la energía del hidrógeno desempeñará un papel crucial en la transición energética global, convirtiéndose potencialmente en un componente clave para lograr la sostenibilidad y reducir la dependencia de los combustibles fósiles.