Hidrogenia

Hidruros Metálicos

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:
Un hidruro con un alto calor de reacción (⌂G) tiene una presión de equilibrio más baja de hidrógeno sobre el sistema metal/hidruro metálico a una temperatura determinada, y un enlace metal-hidrógeno más fuerte. Un metal es un medio de almacenamiento útil para el hidrógeno si se une fuertemente al hidrógeno para poder cargarlo. Sin embargo, si el enlace es demasiado fuerte, el metal no cederá su hidrógeno al calentarlo o despresurizarlo. Los hidruros también son sensibles a los contaminantes (algunos están envenenados por oxígeno o vapor de agua), por lo que se debe tener cuidado de introducir únicamente hidrógeno puro en el hidruro.
El uso de hidruros metálicos como medio de almacenamiento de hidrógeno depende no sólo de la termodinámica sino también de la cinética. La cinética intrínseca de la disociación del hidrógeno es rápida. El paso determinante de la velocidad es el transporte de calor al polvo. Los polvos tienen una conductividad térmica en el rango de 1 a 3 W/mK, lo que significa que no conducen bien el calor. A modo de comparación, el cobre (uno de los mejores conductores térmicos) tiene una conductividad de 401 W/mK, el vidrio de ventana tiene 1,0 W/mK y la fibra de vidrio (un aislante térmico) tiene una conductividad térmica de 0,05 W/mK.
Normalmente es necesario transferir calor entre las paredes del recipiente a presión y el polvo. Si bien una superficie alta significa una rápida adsorción y desorción de hidrógeno, también significa partículas de polvo más pequeñas. La conducción se puede mejorar incorporando el hidruro metálico en espuma de aluminio o pasando canales con líquido caliente a través del polvo. Estos procesos pueden aumentar la conductividad térmica neta hasta entre 7 y 9 W/mK.
El hidrógeno tiende a fragilizar las partículas, provocando que se rompan en pedazos más pequeños. Esto aumenta la superficie total del polvo, aumentando la tasa de desorción/adsorción de hidrógeno, pero las partículas de hidruro más pequeñas pueden ser arrastradas en el flujo de gas, lo que requiere filtrado para mantener las partículas fuera de la producción de hidrógeno. Esto ha generado preocupaciones sobre el uso a largo plazo de ciertos hidruros metálicos.
Tener un depósito de hidrógeno entre el hidruro metálico y la pila de combustible es útil para estabilizar la tasa de consumo de hidrógeno. Los hidruros metálicos complejos tienen el potencial de generar capacidades gravimétricas de hidrógeno más altas que los hidruros metálicos simples. Un ejemplo es el alanato (AlH4), que puede almacenar y liberar hidrógeno de forma reversible cuando se cataliza con dopantes de titanio según las siguientes reacciones:
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.
Publicado por la Dra. Colleen Spiegel
La Dra. Colleen Spiegel es consultora en redacción técnica y modelos matemáticos (presidenta de SEMSCIO) y profesora con un doctorado. y una maestría en Ingeniería. Tiene diecisiete años de experiencia en ingeniería, estadística, ciencia de datos, investigación y redacción técnica para muchas empresas como consultora, empleada y propietaria de un negocio independiente. Es autora de «Diseño y construcción de pilas de combustible» (McGraw-Hill, 2007) y «Modelado y simulación de pilas de combustible PEM utilizando MATLAB» (Elsevier Science, 2008). Anteriormente fue propietaria de Clean Fuel Cell Energy, LLC, que era una organización de pilas de combustible que prestaba servicios a científicos, ingenieros y profesores de todo el mundo.