El hidrógeno representa una solución energética limpia y almacenable que podría desempeñar un papel importante para ayudar al mundo a satisfacer sus demandas energéticas al tiempo que reduce las emisiones de gases de efecto invernadero. Los vehículos propulsados por hidrógeno están libres de emisiones en el punto de uso y el uso de combustibles fósiles puede eliminarse por completo si el hidrógeno se genera a partir de fuentes de energía renovables. Sin embargo, las celdas de combustible que producen energía eléctrica e impulsan los vehículos de hidrógeno pueden degradarse rápidamente, incluso cuando hay impurezas en niveles trazas en el hidrógeno, es por ello por lo que se hace tan importante realizar mediciones químicas que sean confiables y trazables.
Al respecto, existen al menos 4 normas ISO asociada a estudios de investigación en metrología: ISO 14687, ISO 16111, ISO 19880-8 e ISO 21087. Esto proporciona a los Organismos de Normalización la garantía de técnicas validadas y mediciones de análisis, trazables con los más altos niveles metrológicos.
El uso de hidrógeno es una solución prometedora para resolver el conflicto entre la creciente necesidad de energía, el agotamiento de los combustibles fósiles, el efecto invernadero y el desafío del cambio climático. Los avances técnicos y científicos en curso en el control de la calidad del hidrógeno, la aplicación del hidrógeno en el transporte, la distribución, la producción y el almacenamiento de hidrógeno requieren una reevaluación constante de las técnicas analíticas y de los documentos regulatorios.
La pureza del hidrógeno dispensado en las estaciones de repostaje o servicio de hidrógeno debe cumplir con las especificaciones técnicas que se deben establecer bajo reglamentos oficiales y esto están incluidos en la norma ISO 14687-2. El rápido progreso de los vehículos eléctricos de celda de combustible requirió la revisión de esta norma. hacia límites de detección menos restrictivos y al mismo tiempo garantizar el riesgo de impacto de las impurezas del hidrógeno en las celdas combustible y esto se puede observar en la norma ISO 19880-8. Los métodos analíticos validados, utilizados para medir cada impureza en el hidrógeno de acuerdo con las especificaciones era necesario cumplir con mediciones analíticas precisas a bajas concentraciones y respetando las especificaciones que dicta la norma ISO 14687 utilizando métodos validados.
Es importante destacar también que en el marco normativo relacionado con la ISO 16111 establece las condiciones para el hidrógeno absorbido en hidruro metálico reversible y esta norma fue analizada en el comité ISO, TC 197 ampliando el alcance de la versión anterior publicado en 2008, a mayores volúmenes de hidrógeno a través de métodos rastreables para la medición de la cantidad de hidrógeno absorbido en los hidruros metálicos. Era necesario proporcionar mediciones precisas por métodos validados (métodos de masa o caudalímetros), uno de los objetivos del proyecto era contribuir a la mejora del método de medición de la masa del hidrógeno y su validación.
El desarrollo de especificaciones de calidad de hidrógeno para vehículos con pilas o celdas de combustible y el análisis de riesgos correspondiente de las impurezas para gestionar y limitar la degradación del rendimiento de las pilas de combustible, es muy importante porque la probabilidad de presencia de impurezas como el amoníaco, Ar, CO, CO2, formaldehído, ácido fórmico, H2O, He, N2 , O2 , compuestos halogenados totales, compuestos de hidrocarburos totales, compuestos de azufre total, en el hidrógeno para pilas de combustible, fue investigada por expertos en procesos para reformado con vapor de metano (SMR), electrólisis de agua (PEM) y procesos de electrólisis de membrana cloro-álcalis.
A nivel internacional se han analizado las quince impurezas gaseosas enumeradas en la norma ISO 14687 y fue la mayor campaña analítica de muestreo con fines metrológico, esta fue realizada específicamente en Europa por diferentes Institutos Nacionales de Metrología y empresas que tienen sus intereses en la medición de la calidad del hidrógeno como combustible. A partir de los resultados obtenidos se observó que la calidad del hidrógeno actualmente generado por las grandes compañías productoras cumplía con lo establecido en la norma ISO 14687, para la aplicación en vehículos eléctricos de pila de combustible. Además, se han investigado la probabilidad de la presencia de las quince impurezas gaseosas para los principales procesos de producción de hidrógeno (reformado con vapor de metano - SMR - con adsorción por cambio de presión y membrana de intercambio de protones de agua - PEM - proceso de electrólisis con adsorción por cambio de temperatura y membrana cloro-alcalina proceso de electrólisis). Durante este proyecto metrológico químico, se proporcionó un conjunto de pruebas para respaldar la evaluación de expertos sobre la calidad del hidrógeno en la salida de las plantas de producción.
El estudio expuso que no se midió ningún contaminante por encima de los umbrales establecido en la norma ISO 14687 en el hidrógeno obtenido por la electrólisis del agua en los procesos de SMR o PEM, pero que el muestreo podría provocar contaminación. El estudio investigó el impacto de la adsorción por cambios de temperatura para el electrolizador de agua del tipo PEM e identificó los contaminante claves a monitorear.
A nivel metrológico químico, son tan importante las mediciones de las impurezas en el hidrógeno utilizado como combustible que el impacto en las celdas de combustión de sólo 2 ppm de NH3 , 0,2 ppm de HCl y 0,2 ppm de 1,2,3,4-tetracloro-1,1,2,3,4,4-hexafluorobutano (C4Cl4F6) bajo un protocolo de prueba estacionario y dinámico de una duración total de aproximadamente unas 900 horas, comparado con celdas de combustión de referencia probada en hidrógeno puro que se determinó que el NH3 es un compuesto que es causante del envenenamiento potencial del ionómero utilizado en una pila de combustible, el HCl podría absorberse en el platino (Pt) aumentando su disolución, también que la producción de iones cloruro emitidos por la presencia de HCl era responsable de inhibir la reacción de reducción del oxígeno y que C4Cl4F6 es un compuesto que se encontró en varias muestras de hidrógeno también se puede adsorber en la superficie del Pt y descomponerse parcialmente con la formación de HCl y HF en condiciones de prueba de pila de combustible.
Todas las impurezas encontradas en el hidrógeno pueden inducir pérdidas irreversibles de rendimiento de la celda durante las reacciones electroquímicas que se generan, y estás fueron comparadas con las pruebas de referencia realizadas con hidrógeno puro. Este trabajo llevó como consecuencia la revisión de diversas técnicas de limpieza y su gran importancia en el mantenimiento de operación de las grandes plantas productores de hidrógeno.
El desarrollo de métodos analíticos optimizados para el análisis de impurezas en el hidrógeno al tiempo que se garantizan las especificaciones se ha detallado en la norma ISO 21087 “Combustible de hidrógeno - Métodos analíticos - Aplicaciones de celdas de combustible de membrana de intercambio de protones (PEM) para vehículos de carretera” publicada en noviembre de 2018. Esta nueva norma se elaboró bajo la responsabilidad del Grupo de trabajo conjunto 7 de ISO / TC 158 - ISO / TC 197 "Norma analítica de combustible de hidrógeno" y ahora incluye métodos analíticos validados sugeridos y optimizados para cumplir con las especificaciones de la norma ISO 14687 para la medición de las impurezas.
Actualmente se han considerado cuatro tipos de analizadores multicomponentes y sus especificaciones, de los cuales utilizan los métodos de CRDS (espectroscopia de anillo de cavidad), FTIR (espectroscopia infrarroja por transformada de Fourier), OFCEAS (espectroscopia de absorción mejorada de cavidad de retroalimentación óptica) y el sistema de medición por BTL (láser ampliamente sintonizable). En conclusión, se ha señalado que existe la necesidad de una validación completa de los métodos analíticos propuestos como lo requiere la norma ISO 21087 por parte de los Institutos Nacionales de Metrología haciendo uso de Materiales de Referencia Certificados (MRC) para validar estos métodos.
Los métodos trazables para medir la masa de hidrógeno absorbido en hidruros metálicos que se debe realizar en los tanques de hidruro son muy importantes para los ciclos de carga y descarga en el transporte del hidrógeno. Los parámetros de las condiciones experimentales cómo la temperatura, presión, influyen considerando la masa y la naturaleza del hidruro metálico de los cuales se han descubierto varios hallazgos inesperados durante las mediciones, por ejemplo, el desbordamiento en el caudalímetro másico en caso de que se utilice un sistema con válvulas no reguladoras, desviación del caudalímetro másico medición en función de la presión de la línea y la diferencia de presión. Una buena curva de ajuste en el flujo másico se necesita para obtener un bajo error y esta debe ser obtenida a partir de una calibración, con el objetico de corregir los sesgos observados para los medidores de flujo másico, para ello se recomendó también una pureza del hidrógeno a un nivel superior a 99,995%, ya que las impurezas del hidrógeno pueden degradar el hidruro que lo contendría.
Los Impactos económicos, sociales y ambientales a más largo plazo en el uso de vehículos eléctricos de emisión cero que utilizan celdas de combustible y que son propulsados con hidrógeno reduce los niveles de contaminación en áreas urbanas. Además, si este hidrógeno se produce a partir de fuentes de energía renovables, es la solución energética para mitigar los impactos del cambio climático global y sería la energía renovable alternativa a los combustibles fósiles. También conduce a un efecto potencial en las poblaciones de los países, porque al existir menos polución el nivel de salud aumenta y las enfermedades relacionadas a la exposición de partículas y gases nocivos disminuye de manera alta.
Finalmente, la capacidad de poder controlar fácilmente la pureza del hidrógeno es un tema importante no solo para los fabricantes de celdas de combustible que pueden asegurar la confiabilidad y la vida útil de sus productos mediante la aplicación ISO 19880-8, sino también para los usuarios que ahora tienen la garantía del desempeño de las celdas de combustible. Al desarrollar la matriz de evaluación de riesgos para la presencia de impurezas en el hidrógeno y su impacto en términos de toxicidad, se garantizará la fiabilidad y vida útil de las pilas de combustible a través de la aplicación de la norma ISO 19880-8.
