Elastómeros como alternativa al acero inoxidable en las pilas de combustible PEM

La movilidad con cero emisiones tiene cada día más posibilidades de hacerse realidad gracias al rápido crecimiento de la tecnología de pilas de combustible de hidrógeno (PEMFC). 

Como uno de los dispositivos de conversión de energía más eficientes, las pilas de combustible PEM convierten el oxígeno del aire y el hidrógeno en energía limpia, dejando agua como único subproducto. Su baja temperatura de funcionamiento y su excelente fiabilidad las hacen especialmente adecuadas para amplias aplicaciones como fuentes de energía para el mercado de vehículos comerciales.

¿Cómo funcionan las pilas de combustible de hidrógeno?

Las pilas de combustible de hidrógeno, conectadas en paralelo en "pilas", generan electricidad mediante una serie de reacciones químicas que conducen a la formación de agua. En el ánodo, el hidrógeno cede sus electrones, produciendo iones H+. Los electrones separados viajan entonces a través de un circuito externo hasta el cátodo en forma de corriente, que se utiliza para alimentar un sistema de tracción eléctrica. En el cátodo, el oxígeno reacciona con los iones H+ y los electrones entrantes para formar hidroxilos OH-, que a su vez reaccionan con los iones H+ y los electrones para producir agua.

Aunque el principio de funcionamiento parece sencillo, las PEMFC son sistemas muy delicados cuyos componentes deben elegirse cuidadosamente. El catalizador utilizado en los electrodos se basa en el costoso platino, por lo que es fácil envenenar la pila con partículas extrañas que puedan proceder del combustible o de los componentes de la pila.

Crecientes exigencias a los materiales de las pilas de combustible de hidrógeno: durabilidad, pureza, peso.

El envenenamiento del catalizador o de la membrana puede provocar una drástica caída del rendimiento de la pila de combustible, acortando considerablemente su vida útil. La durabilidad de la pila influye directamente en su coste, de ahí que se impongan grandes exigencias a la selección de los materiales adecuados de los componentes de la pila para aumentar la fiabilidad del sistema.

Problemas de pureza en los materiales metálicos.

El acero inoxidable es un material adecuado para los equipos estructurales de las pilas de combustible, como tuberías, botellas de gas o válvulas. Gracias a su dureza y ductilidad, el acero inoxidable es el material preferido para las piezas de las pilas de combustible, como las tuberías y los depósitos de alta presión, donde entra en contacto con hidrógeno de gran pureza y alta presión.

A pesar de sus muchas cualidades, el acero inoxidable en contacto prolongado con el hidrógeno sufre importantes cambios estructurales que repercuten negativamente en el sistema de la pila de combustible, por no hablar de su elevado peso y coste. Algunas de las principales preocupaciones relacionadas con el uso de metales en las PEMFC son fenómenos como la fragilización por hidrógeno y la corrosión.

La fragilización por hidrógeno se produce cuando el hidrógeno penetra y se difunde en los metales. En consecuencia, éstos se vuelven quebradizos. Este fenómeno se debe a que la molécula de hidrógeno en contacto con los metales se divide en dos átomos y penetra en el material en estado atómico, provocando un efecto nocivo. El grado de fragilización depende de la cantidad de hidrógeno absorbido y de la microestructura del material. 

La fragilización por hidrógeno puede producirse en todas las situaciones en las que el hidrógeno está en contacto directo con piezas metálicas, como el depósito de hidrógeno y el bucle anódico de la pila de combustible.

Problemas de durabilidad en los materiales metálicos

Otro fenómeno que amenaza la vida útil de las piezas metálicas es su susceptibilidad a la corrosión, especialmente cuando el metal no está recubierto. Los metales pueden sufrir disolución en el entorno ácido y húmedo de las pilas de combustible PEM, lixiviando iones que pueden envenenar el conjunto de electrodos de membrana, provocando una disminución de la potencia de salida de la pila de combustible.

Elastómeros: la solución para las pilas de combustible de hidrógeno

Los elastómeros son la solución ideal para las mangueras y juntas de los sistemas de pilas de combustible. Su alto grado de flexibilidad y su peso ligero los convierten en candidatos perfectos para las mangueras de formas complicadas que deben caber bajo el capó de los vehículos de pilas de combustible.

La fragilización por hidrógeno no se produce en los elastómeros, ya que en los polímeros el hidrógeno se absorbe como molécula diatómica. El efecto del hidrógeno en los elastómeros se basa en la permeabilidad, la difusividad y la solubilidad del hidrógeno en ellos. Estos parámetros varían según la familia de elastómeros y los ingredientes elegidos. Por ejemplo, la permeabilidad del caucho de silicona es mucho mayor que la de los fluoroelastómeros a base de fluorocarbono.

La receta de composición también influye en la pureza del material y en los iones que pueden lixiviarse. Por ejemplo, deben evaluarse los valores de lixiviación aceptables de elementos como halógenos (F, Cl, Br, I), metales alcalinos (Li, Na, K, Rb, Cs, Fr) y metales alcalinotérreos (Be, Mg, Ca, Sr, Ba, Ra).

En Venair, los compuestos para mangueras de pilas de combustible se adaptan para cumplir las características deseadas y controlar la cantidad de sustancias lixiviantes, al tiempo que se mantiene una baja permeabilidad al hidrógeno.

FUENTES

https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fenrg.2014.00002/full

https://www.twi-global.com/technical-knowledge/faqs/what-is-hydrogen-embrittlement

https://www.technology.matthey.com/article/57/4/259-271/