Almacenar hidrógeno a alta presión en microesferas de vidrio, la solución para el vehículo de pila de combustible

Para ser competitivo, el hidrógeno debe producirse, entregarse a las estaciones y dispensarse a un coste comparable al de los combustibles de la competencia, al tiempo que debe ofrecer la seguridad y las ventajas de la gasolina. Sin embargo, se enfrenta a un problema mayor. En comparación a otros combustibles, el hidrógeno requiere depósitos de mayor volumen para almacenar la misma cantidad de energía.

Por eso, es una buena noticia saber que, según un estudio del Instituto de Materiales No Metálicos de la Universidad Tecnológica de Clausthal, Alemania, y el Instituto Federal de Investigación y Ensayos de Materiales de Berlín, el almacenamiento físico de hidrógeno gaseoso a alta presión en microcontenedores vítreos con forma de esfera es una interesante alternativa para mejorar la seguridad y la capacidad volumétrica de los sistemas móviles de almacenamiento de hidrógeno.

Como para almacenar hidrógeno comprimido se requiere una permeación muy baja a través de la pared del contenedor, los científicos han descubierto que se puede desarrollar vidrios de mínima permeabilidad al hidrógeno. Para este propósito, uno tiene que entender mejor la dependencia de la permeabilidad al hidrógeno de la estructura del vidrio.

El documento señala que minimizar el volumen libre accesible es una buena estrategia para minimizar la permeabilidad al hidrógeno. Basado en datos de literatura exhaustivos y previamente medidos, se muestra que la permeación se controla independientemente por la porosidad iónica y el contenido del modificador de red. Por lo tanto, la porosidad iónica en redes modificadas y totalmente polimerizadas puede disminuirse igualmente a la permeabilidad al hidrógeno más baja entre los vidrios en estudio. Aplicando este concepto, se puede lograr una caída de hasta 30.000 con respecto a la permeación de las moléculas de hidrógeno a través del vidrio de sílice.

Los autores del estudio confirman que el hidrógeno comprimido en forma de tanques y dispositivos portátiles con este nuevo material ofrecería una solución rentable y sostenible a corto plazo para almacenarlo debido a su bajo impacto en la infraestructura y la pequeña huella de carbono involucrada en la producción efectiva de hidrógeno en su estado gaseoso por electrólisis del agua o división del agua.

«Aunque la densidad de energía gravimétrica del gas hidrógeno (142 MJ kg − 1) es al menos tres veces mayor que la de los hidrocarburos líquidos como el combustible convencional, tiene una baja capacidad de almacenamiento volumétrico», apuntan, «a pesar del atractivo general del almacenamiento de gas de hidrógeno a presión, sigue habiendo problemas sorprendentes en la selección de materiales de encapsulación seguros y livianos».

En otras palabras, que disponer de un sistema adecuado para almacenar el hidrógeno ha sido uno de los mayores obstáculos para el uso a gran escala de este gas, sobre todo en el transporte. Los problemas para confinar el hidrógeno tienen su razón de ser por las características físicas y químicas, al tener una gran densidad energética por unidad de masa y presentar una muy baja densidad de energía volumétrica, tanto en estado líquido como gaseoso.

Ante esta dificultad, los investigadores probaron con diferentes metales para almacenar el H2 para comprobar que todos ellos sufren fragilidad y agrietamiento del material muy por debajo de su límite de elasticidad inicial. También probaron con polímeros, pero tampoco dieron buenos resultados. «No pueden ofrecer tasas de permeación lo suficientemente bajas», dicen.

De ahí que la mejor solución son los vidrios oxídicos. Para el estudio, son candidatos prometedores para el almacenamiento rentable, seguro y a largo plazo de hidrógeno a presión en micro contenedores. tales como microesferas huecas y capilares. Por lo tanto, el uso de matrices de capilares de vidrio ha recibido una atención progresiva en los últimos años, no solo por el proceso de fabricación bien establecido (tubos de redibujado precisos) sino también por las opciones de estructuración recubiertas de polímero empaquetadas (panal) en combinación con un reabastecimiento rápido capacidad.

El almacenamiento de hidrógeno comprimido en microcontenedores de vidrio exige una baja penetración a través de la pared del contenedor y un desarrollo exitoso de composiciones de vidrio, continúa el estudio, para las cuales el producto de solubilidad de hidrógeno y coeficiente de difusión es mínimo. Además de la baja permeabilidad, se debe tener en cuenta un fuerte rendimiento del vidrio durante la conformación en caliente, que se expresa principalmente en la forma  una pequeña tendencia a la cristalización, así como durante el servicio, donde la robustez del proceso químico es importante. antes de implementar nuevas composiciones en aplicaciones de almacenamiento.