Las siglas PEMFC corresponden a Proton Exchange Membrane Fuel Cell (Celda de Combustible de Membrana de Intercambio Protónico) en español. Esta tecnología electroquímica se posiciona como una de las alternativas más prometedoras para la propulsión de vehículos eléctricos del futuro, gracias a su alta eficiencia y emisiones reducidas.
Las celdas de combustible PEMFC, también conocidas como celdas de combustible de membrana polimérica, son una tecnología en desarrollo interesantes no solo por lo dicho anteriormente, también por su rango de temperaturas a las que puede funcionar, ya que podría ir desde los -50 a los 100ºC, lo que evitaría ver los problemas que se han visto en algunos climas extremos con los coches eléctricos actuales.
PEMFC
A diferencia de la combustión directa de hidrógeno y oxígeno para producir calor, las PEMFC funcionan de forma inversa a la electrólisis PEM, que consume electricidad para producir hidrógeno. Gracias a esto, son una opción prometedora para reemplazar la tecnología de celdas de combustible alcalinas, utilizada anteriormente en el transbordador espacial, y con posibles aplicaciones también en coches eléctricos.
Las celdas PEMFC están compuestas por ensambles de membrana-electrodo (MEA) que incluyen electrodos, un electrolito, catalizadores y capas de difusión de gas. Estas capas se fabrican mediante la pulverización o pintura de una mezcla de catalizador, carbono y electrodo sobre el electrolito sólido. Luego, se prensa en caliente papel de carbono en ambos lados para proteger el interior de la celda y actuar como electrodos adicionales.
La zona clave de la celda es la triple frontera (TPB), donde se mezclan el electrolito, el catalizador y los reactivos. Es aquí donde realmente ocurren las reacciones que generan electricidad. Es importante destacar que la membrana no debe ser conductora de electricidad para evitar que las reacciones se mezclen.
Las celdas PEMFC transforman la energía química liberada durante la reacción electroquímica del hidrógeno y el oxígeno en energía eléctrica:
- En el ánodo, el hidrógeno se divide en protones y electrones gracias a un catalizador (electrocatalizador acelerador de las reacciones químicas), generando moléculas H+ con un protón de más dado que se liberan electrones (e-). Este ánodo es un electrodo poroso donde se introduce el hidrógeno en forma de gas.
- Los protones atraviesan la membrana (polímero conductor de protones, generalmente Nafion) hacia el cátodo, mientras que los electrones fluyen por un circuito externo, al no poder atravesar la membrana, generando la corriente eléctrica. En el caso del cátodo, es el electrodo poroso donde se introduce el oxígeno del aire.
- En el cátodo, el oxígeno reacciona con los protones y los electrones para formar moléculas de agua (H2O) al combinar los iones de hidrógeno y los átomos de oxígeno.
La reacción general produce agua como subproducto, por lo que las PEMFC son una tecnología limpia y sostenible.
Ventajas de las PEMFC
Como ventajas de las células PEMFC, tenemos que destacar las siguientes:
- Emisiones cero: solo producen agua como subproducto, por lo que son una opción ideal para el transporte sostenible y la reducción de la contaminación del aire. Eso sí, consume oxígeno del aire…
- Alta eficiencia: las PEMFC alcanzan eficiencias de conversión de energía de hasta el 60%, aprovechando mejor la energía del combustible que los motores de combustión interna.
- Reabastecimiento rápido: el repostaje de hidrógeno en un vehículo PEMFC puede ser tan rápido como cargar un vehículo eléctrico de batería, eliminando la ansiedad de rango.
- Funcionamiento silencioso: operan de forma silenciosa, contribuyendo a la reducción de la contaminación acústica en las ciudades.
- Escalabilidad: esta tecnología se puede adaptar a vehículos de diferentes tamaños, desde automóviles particulares hasta autobuses y camiones eléctricos.
Retos a superar
A pesar de sus ventajas, la tecnología PEMFC aún enfrenta algunos desafíos que limitan su adopción masiva:
- Coste: el coste de las células y los sistemas de almacenamiento de hidrógeno es actualmente elevado.
- Infraestructura de hidrógeno: la red de estaciones de servicio para repostar hidrógeno se encuentra en desarrollo en muchos países.
- Durabilidad a largo plazo: se necesitan más investigaciones para garantizar la durabilidad y fiabilidad de las PEMFC en condiciones reales de uso durante toda la vida útil de un vehículo.
Una vez superados estos desafíos, con investigación y desarrollo, las aplicaciones de estas células PEMFC se puede usar en varias áreas debido a su potencial, como pueden ser los vehículos eléctricos de los que venimos hablando, y la que más nos interesa en AM. Pero también se puede usar para otros dispositivos como portátiles, herramientas de batería, transporte marítimo y aéreo sostenible, etc.