Diagnósticos electroquímicos avanzados para ampliar la vida de las pilas de combustible
La revolución industrial se basó en los motores a vapor y la combustión de carbón. Hoy en día, los generadores de turbina de vapor alimentados con combustibles fósiles producen más del 65 % de la energía eléctrica mundial. Por otro lado, las pilas de combustible de membrana de intercambio de protones (PEMFC) lideran la revolución por una energía renovable más limpia. Sus aplicaciones incluyen la generación de calor y electricidad para hogares y edificios (microproducción combinada de calor y electricidad) y para labores de generación eléctrica de emergencia. Una avanzada herramienta de vigilancia y diagnóstico desarrollada por el proyecto financiado con fondos europeos HEALTH-CODE se propone aumentar el rendimiento considerablemente y reducir los costes de las PEMFC en estas y otras aplicaciones. Reacciones sencillas, diagnósticos complejos Las PEMFC producen electricidad directamente de los gases hidrógeno y oxígeno. El gas hidrógeno del ánodo se divide en electrones e iones positivos de hidrógeno (protones). Una membrana de intercambio de protones recubierta de un catalizador separa el ánodo y el cátodo y solo permite la difusión de los protones. Los electrones se redirigen por un circuito distinto hacia el cátodo para generar electricidad. En el cátodo, los electrones y los iones de hidrógeno se combinan con oxígeno ambiental para producir agua, que se expulsa de la pila. Varios factores pueden influir en el funcionamiento y la duración de las PEMFC, como por ejemplo las impurezas en la fuente de combustible de hidrógeno o una restricción en la alimentación de combustible u oxígeno. La presencia de compuestos basados en el azufre en las PEMFC, originados por impurezas en el gas tras el reformado, por ejemplo, puede contaminar la capa catalítica. El equilibrio hídrico también es fundamental, pues mucha agua ciega la reacción y muy poca hace que se seque la membrana. La herramienta de vigilancia y diagnóstico HEALTH-CODE controla todas estas condiciones y detecta problemas antes de que afecten de forma irreversible al funcionamiento y la duración de las PEMFC. La espectroscopia avanzada es la solución Según el profesor Cesare Pianese, coordinador del proyecto: «Los métodos de vigilancia previos se basaban en multitud de sensores tradicionales de temperatura, presión, velocidad de flujo de masas y voltaje, entre otros. Para procesarlos era necesario emplear análisis y técnicas de modelización masivas con las que compensar la ausencia de conocimientos directos sobre los procesos electroquímicos que tenían lugar en las pilas». La solución HEALTH-CODE supone un avance significativo en la vigilancia y el diagnóstico del rendimiento de las PEMFC. La herramienta emplea la espectroscopia de impedancia electroquímica (EIS), una técnica conocida y empleada ya en múltiples aplicaciones. Su utilidad reside en la abundante información que genera, pues cubre parámetros relacionados con los electrodos y las varias reacciones electroquímicas que tienen lugar a distintas velocidades. Su validación en un entorno de funcionamiento real confirmó la capacidad de la herramienta para detectar una avería antes de que se produzcan daños irreversibles, con una fiabilidad mucho mayor en comparación con otros métodos anteriores y con una integración que añade menos del 3 % a los costes de producción. Esta reducción de costes operativos y de mantenimiento será un incentivo a la adopción de los PEMFC. Según Pianese: «Su empleo mejorará el mantenimiento, su integración en nuevos paradigmas energéticos, como redes y edificios inteligentes, y popularizará la instalación de sistemas de gestión virtual de centrales eléctricas». Además, la tecnología podría usarse en breve en otras aplicaciones distintas a la microproducción combinada de calor y electricidad o la generación eléctrica de emergencia basadas en PEMFC. Por ejemplo, los sistemas móviles (coches, autobuses y trenes) podrían ser las primeras tecnologías basadas en pilas de combustible que aprovechen el diagnóstico y la vigilancia de EIS. Los socios seguirán innovando una vez termine el proyecto gracias a dos talleres conjuntos con los que se proponen aumentar el interés por la tecnología. De hecho ya hay planes para el desarrollo de un «ecosistema de crecimiento» en el que se fomente la fertilización cruzada a escala regional, nacional e internacional.
Palabras clave
HEALTH-CODE, pilas de combustible de membrana de intercambio de protones (PEMFC), vigilancia, hidrógeno, espectroscopia de impedancia electroquímica (EIS), electricidad, pila de combustible, microproducción combinada de calor y electricidad
