El futuro de las pilas de hidrógeno: previsiones y expectativas
Como energía limpia que puede almacenar energía residual y promover la transformación de la energía fósil tradicional en energía verde, la energía del hidrógeno se considera una tecnología disruptiva en la dirección de la futura revolución energética.
Pila de combustible de hidrógeno es el portador clave para realizar la conversión de la energía del hidrógeno en energía eléctrica. En este artículo, exploraremos los fundamentos de la pila de combustible de hidrógeno, su funcionamiento y la investigación de su tecnología.
Pila de combustible de hidrógeno
La función de la pila es convertir la energía química almacenada en el material en energía eléctrica de salida.
El hidrógeno es rico en energía química. Si se utiliza en forma de combustión, se reducirá inevitablemente la eficiencia debido a la pérdida de calor.
Por lo tanto, necesitamos un dispositivo que pueda prescindir de la combustión para convertir directamente la energía del hidrógeno en electricidad. Este dispositivo es una pila de combustible de hidrógeno. Las pilas de combustible de hidrógeno funcionan exactamente al revés que la electrólisis del agua.
¿Cómo funciona la pila de combustible de hidrógeno?
Una pila de combustible de hidrógeno es una batería que utiliza el elemento químico hidrógeno para almacenar energía. El principio básico es la reacción inversa de electrolizar agua, suministrando hidrógeno y oxígeno al ánodo y al cátodo respectivamente.
Entre ellos, el gas hidrógeno se descompone en electrones y protones (iones de hidrógeno) mediante un catalizador.
A continuación, los protones atraviesan la "membrana de intercambio de protones" hasta el electrodo negativo y reaccionan con el oxígeno para convertirse en agua y calor.
Los electrones fluyen del polo positivo al negativo a través de un circuito externo, generando así electricidad.
Pila de combustible de hidrógeno frente a batería de litio
Adquisición de materias primas
Una pila de combustible de hidrógeno es un gas de hidrógeno que descompone electrones e iones de hidrógeno a través del catalizador (platino) en el electrodo positivo de la pila de combustible. El platino catalizador es un recurso metálico escaso, y las pilas de combustible de hidrógeno aún no han encontrado un material alternativo.
Las materias primas de las baterías de litio, como el fosfato de hierro y litio, son relativamente más abundantes y respetuosas con el medio ambiente. En la actualidad, células lifepo4 se han industrializado y se utilizan ampliamente en el mercado.
Estructura de la batería
Las pilas de combustible de hidrógeno son diferentes de las pilas de litio comunes, y el sistema es más complejo, compuesto principalmente de pilas y componentes del sistema (compresores de aire, humidificadores, bombas de circulación de hidrógeno, botellas de hidrógeno).Las pilas de iones de litio se componen principalmente de electrodos positivos, electrodos negativos, separadores y electrolitos.
Eficiencia energética
El proceso de conversión de la energía eléctrica en fuerza motriz para las baterías de litio es muy corto, de carga-descarga, y muy eficiente. El hidrógeno también necesita ser convertido por la electricidad, por lo que se utiliza como fuente de energía secundaria, y la eficiencia de utilización de la energía es baja.
Densidad energética
Desde la perspectiva de la densidad energética de masa, la densidad energética de la batería de litio y fosfato de hierro es de 100 a 200 Wh/kg, y la densidad energética teórica de las baterías ternarias de litio es de 300 a 350 Wh/kg.
Las pilas de combustible de hidrógeno tienen mayor densidad energética que las baterías de iones de litio. Pero el hidrógeno subproducto de la industria actual no es lo bastante puro como para utilizarlo directamente en sistemas de pilas de combustible de hidrógeno sin más purificación.
Coste
La fuente, el almacenamiento y el uso seguro del hidrógeno son muy estrictos, lo que se traduce en costes elevados para las pilas de combustible de hidrógeno. En términos relativos, las pilas de litio tienen un coste bajo y se han producido a gran escala.
Seguridad
En el caso de las pilas de combustible de hidrógeno, las fugas y el control son la principal fuente de riesgos potenciales para la seguridad del sistema de baterías, que pertenece al nivel físico. El peligro para la seguridad de las pilas de iones de litio procede principalmente de la reacción en cadena incontrolable, que pertenece al nivel químico. En caso de colisión extremadamente violenta, el peligro de la pila de combustible será aún mayor.
Aplicación de la batería
Los vehículos de pila de combustible de hidrógeno sólo pueden depender de estaciones de repostaje de hidrógeno, pero el coste de éstas es muy elevado.
A diferencia de los vehículos eléctricos de iones de litio, los actuales acumuladores de carga domésticos, cambio de batería La tecnología es cada vez más madura, y el coste de sustitución de las centrales también es menor.
Investigación en tecnología de pilas de combustible de hidrógeno
Las pilas de combustible de hidrógeno se componen principalmente de pilas y componentes del sistema. La pila es el núcleo de todo el sistema de pilas, incluyendo cada unidad de pila compuesta por electrodos de membrana, placas bipolares, placas colectoras de corriente, placas terminales, anillos de sellado, etc. En los últimos años, la investigación sobre la tecnología de las pilas de combustible de hidrógeno se ha centrado en las pilas, las placas bipolares, los componentes del sistema y las tecnologías de control.
Electrodo de membrana
El electrodo de membrana (MEA) es el componente central del sistema de pila de combustible de hidrógeno y suele estar compuesto por la capa de difusión catódica, la capa catalítica catódica, la membrana electrolítica, la capa catalítica anódica y la capa de difusión de gas anódica, y determina directamente la densidad de potencia, la durabilidad y la vida útil.
Placas bipolares
Las placas bipolares (BP) de las pilas de combustible de hidrógeno, también conocidas como placas de campo de flujo, desempeñan la función de separar los gases de reacción, eliminar el calor y descargar los productos químicos de reacción (agua); presentan excelentes requisitos mecánicos y de resistencia a la corrosión. Según la capacidad de producción actual, las BP representan casi 60% de la masa y más de 10% del coste de todo el conjunto de pilas de combustible de hidrógeno.
Componentes del sistema de pilas de combustible de hidrógeno
Para mantener el funcionamiento normal de la pila, el sistema de pila de combustible de hidrógeno también requiere la coordinación de subsistemas auxiliares externos, como el sistema de suministro de hidrógeno, el sistema de gestión del agua y el sistema de aire. Los componentes correspondientes del sistema incluyen la bomba de circulación de hidrógeno, la botella de hidrógeno, el humidificador y el compresor de aire.
La pila de combustible producirá una gran cantidad de agua en estado de funcionamiento, un contenido de agua demasiado bajo producirá el fenómeno de "película seca", dificultando el transporte de protones; un contenido de agua demasiado alto producirá el fenómeno de "inundación de agua", dificultando la difusión del gas en los medios porosos, La tensión de salida de la pila es baja.
Estrategia de control del sistema
La vida útil o durabilidad de un sistema de pila de combustible de hidrógeno está estrechamente relacionada con la estrategia de control del sistema. Al arrancar un vehículo de pila de combustible de hidrógeno, es necesario encender la fuente de alimentación en tiempo real para obtener suficiente presión y gas de reacción
Durante el ralentí o la parada, también es necesario conectar la alimentación eléctrica para purgar el gas sin reaccionar y el agua generada en la chimenea , para evitar la "inundación de agua", la "fragilización por hidrógeno", la corrosión química y otras situaciones.
Perspectivas de aplicación de las pilas de combustible de hidrógeno
La previsión de futuras aplicaciones de las pilas de combustible de hidrógeno incluye principalmente dos categorías: transporte y almacenamiento de energía.
La aplicación de las pilas de combustible de hidrógeno en el ámbito del transporte incluye turismos, vehículos comerciales, trenes, barcos, aviones, etc.
Los camiones pesados de pila de combustible de hidrógeno se han convertido en el centro del desarrollo actual de los vehículos de pila de combustible. Los camiones pesados de energía de hidrógeno pueden funcionar sin problemas a bajas temperaturas y en entornos difíciles, lo que suple en gran medida los defectos y carencias de los vehículos eléctricos puros.
El almacenamiento de energía mediante pilas de combustible de hidrógeno es una forma de almacenamiento de energía química. Las pilas de combustible de hidrógeno pueden acoplarse en gran medida con nuevos sistemas de energía para formar baterías a gran escala, de larga duración y que abarquen varias estaciones. soluciones de almacenamiento de energía.
En general, las perspectivas de aplicación de las pilas de combustible de hidrógeno tienen un amplio espacio. Con una investigación y un desarrollo continuos, las pilas de combustible de hidrógeno tienen potencial para desempeñar un papel importante en la satisfacción de las necesidades energéticas mundiales de forma sostenible y respetuosa con el medio ambiente.
