Las pilas de combustible suelen utilizar hidrógeno comprimido como combustible, pero existen muchos otros tipos de combustibles que se pueden utilizar. El tipo de combustible utilizado depende de la aplicación de la pila de combustible. Los combustibles suelen estar en su forma final antes de entrar en la pila de combustible; sin embargo, ciertos tipos de pilas de combustible se pueden procesar en el interior de la pila de combustible. Se utilizan tipos de combustible alternativos porque están fácilmente disponibles, son más fáciles de transportar, se consideran más seguros o se procesan in situ. Dependiendo del tipo de combustible, una de las desventajas de ciertos combustibles líquidos es que con el tiempo envenenan la capa de catalizador. Los hidruros metálicos son una buena opción para aplicaciones militares portátiles y almacenamiento de hidrógeno reversible a bordo debido a su seguridad inherente, buena densidad gravimétrica del hidrógeno y excelente densidad volumétrica. Los hidruros metálicos se utilizan para el almacenamiento reversible de hidrógeno a bordo porque tienen un peso y un volumen menores que las opciones de hidrógeno líquido y comprimido y pueden liberar hidrógeno a temperaturas y presiones relativamente bajas. El sistema de pila de combustible puede diseñarse para utilizar el calor residual generado por la pila de combustible para «liberar» el hidrógeno del medio. Los paquetes nuevos se pueden cambiar por otros viejos y los paquetes viejos se pueden repostar. Repostar combustible en un pequeño contenedor de hidruro metálico sólo lleva entre 5 y 15 minutos. La Figura 1 muestra una ilustración de un tanque de hidruro metálico.
Figura 1. Ejemplo de tanque portátil de hidruro metálico.
Los hidruros metálicos se forman cuando los átomos metálicos se unen con hidrógeno para formar compuestos estables. Se puede extraer una gran cantidad de hidrógeno por unidad de volumen, por lo que la densidad de almacenamiento es buena a pesar de que pueden ser pesados. A menudo se utilizan en forma de polvos para maximizar la relación superficie-masa. Algunos de los problemas con los hidruros metálicos son el alto costo de la aleación, la sensibilidad a las impurezas gaseosas y la baja densidad gravimétrica del hidrógeno.
Los hidruros metálicos son más seguros que otras alternativas porque son endotérmicos al liberar hidrógeno y se mantienen bajo una presión relativamente baja de 1 a 10 atm dentro del contenedor de hidruro metálico. La reacción de adsorción de hidruro metálico es:
donde el número de átomos de hidrógeno, x, por átomo de metal, M, es función de la química del metal. La exotermicidad de la reacción significa que más calor hace que el equilibrio se desplace hacia el gas hidrógeno libre, y una mayor presión parcial de H2 provoca un cambio hacia la adsorción y la formación de hidruros metálicos. La ley de acción de masas muestra que la constante de equilibrio es Keq = [H2](–x/2). Si sustituimos esto en la ecuación de energía libre:
La primera reacción puede liberar 3,7% en peso de hidrógeno a 1 atm de presión y temperaturas superiores a 33 °C. La segunda reacción puede liberar 1,8% en peso de hidrógeno por encima de 110 °C. La cantidad de hidrógeno que se puede liberar es más importante que la cantidad que el material puede contener; por lo tanto, es el parámetro clave utilizado para determinar las capacidades gravimétricas y volumétricas (netas) del sistema. Algunos problemas actuales con los hidruros metálicos incluyen la baja capacidad de hidrógeno, la lenta absorción, la cinética de liberación y el costo. La densidad de empaquetamiento de estos polvos también es baja (alrededor del 50 por ciento). Se espera que la investigación continua de hidruros metálicos dé como resultado el diseño y desarrollo de hidruros metálicos complejos en el futuro.
Se ha desarrollado uno de los sistemas de hidruros complejos más nuevos, basado en amida de litio, y la reacción se produce a 285 °C y 1 atm:
Esta reacción permite almacenar de forma reversible un 6,5% en peso de hidrógeno, con potencial para un 10% en peso. Un problema con el uso de este sistema es que si se utiliza para aplicaciones portátiles con un PEMFC, la temperatura de reacción es bastante alta y es necesario reducirla. Una mayor investigación y desarrollo en este sistema puede conducir a mejoras adicionales en la capacidad y las condiciones operativas. La Tabla 1 resume las características del sistema de almacenamiento de algunos tipos de hidruros metálicos. Como puede ver en la tabla, los pesos del sistema son relativamente bajos (de 3,4 a 6,0 kg), con una alta capacidad de hidrógeno (478 – 848 kg H2) y una buena densidad de energía (3,683 – 5,321 MJ/kg).
Tabla 1. Características del sistema de almacenamiento de hidruro metálico.
Conclusión
Se pueden utilizar muchos tipos de combustibles para diferentes tipos y sistemas de pilas de combustible. Los hidruros metálicos pueden ser una buena opción para determinadas aplicaciones debido a su seguridad y excelente densidad volumétrica. El uso de hidruros metálicos puede ser beneficioso para su uso con pilas de combustible para determinadas aplicaciones, pero el objetivo general de la tecnología de pilas de combustible es utilizar hidrógeno puro procedente de fuentes de energía renovables distintas de los combustibles fósiles.