La medición del caudal de hidrógeno es más difícil que la medición de gas natural debido a dos propiedades físicas. El hidrógeno transporta el sonido a 1.304,7 m/s a 20 °C y 0,101325 MPa, aproximadamente 2,9 veces más rápido que el metano. Además, es unas 8 veces menos denso que el metano en las mismas condiciones (NIST Chemistry WebBook, consultado en 2026; proporciones calculadas a partir de datos del NIST). La primera propiedad reduce el tiempo que un pulso sonoro permanece en el gas. La segunda debilita el pulso que llega al receptor.
Los caudalímetros ultrasónicos de tiempo de tránsito pueden medir hidrógeno cuando los transductores, la electrónica de temporización y el recorrido del flujo están diseñados para estas dos propiedades. La diferencia de tiempo de tránsito es la diferencia entre el tiempo que tarda un pulso sonoro en viajar a favor y en contra del flujo; esta diferencia escala con la velocidad del gas. Este artículo se centra en sistemas OEM: electrolizadores PEM y pilas de combustible PEM a entre 1 y 20 bar, con gas húmedo y mezclado. La medición en tuberías, mezclas y repostaje plantea problemas diferentes y solo aparece aquí como contexto.
¿Por qué la medición del caudal de hidrógeno es más difícil que la del gas natural?
Pasar del gas natural o del aire al hidrógeno cambia lo que un caudalímetro ultrasónico debe resolver, y los valores del NIST que se muestran a continuación indican en qué medida.
Propiedad (20 °C, 0,101325 MPa) | Hidrógeno | Metano | Nitrógeno |
|---|---|---|---|
Velocidad del sonido (m/s) | 1.304,7 | 445,01 | 349,10 |
Densidad (kg/m3) | 0,083752 | 0,66816 | 1,1648 |
Impedancia acústica (Rayl, calculada) | aprox. 109 | aprox. 297 | aprox. 407 |
Fuente: NIST Chemistry WebBook. Impedancia calculada como densidad multiplicada por la velocidad del sonido.
Cómo la velocidad del sonido en el hidrógeno acorta los tiempos de tránsito
A 20 °C, el hidrógeno transporta el sonido a 1.304,7 m/s a presión atmosférica, a 1.391,5 m/s a 10,1 MPa y a 1.910,3 m/s a 70,1 MPa (datos isotérmicos del NIST). Un pulso recorre el mismo trayecto aproximadamente 2,9 veces más rápido que en el metano.
En el principio de tiempo de tránsito, el caudalímetro deduce la velocidad del gas a partir de la diferencia entre los tiempos de desplazamiento aguas arriba y aguas abajo. Un tiempo de desplazamiento más corto implica una diferencia temporal menor para cada unidad de velocidad, por lo que la electrónica de temporización necesita una resolución más fina y la ventana de recepción debe abrirse antes para captar el pulso.
Por qué la baja densidad debilita la señal ultrasónica en el hidrógeno
El hidrógeno tiene una densidad de 0,083752 kg/m3 a 20 °C, frente a 0,66816 kg/m3 del metano y 1,1648 kg/m3 del nitrógeno. La impedancia acústica equivale a la densidad multiplicada por la velocidad del sonido; determina cuánta energía sonora pasa del transductor al gas. En el hidrógeno es de aproximadamente 109 Rayl, frente a unos 297 del metano y unos 407 del nitrógeno (calculado a partir de datos del NIST).
Los transductores deben conectar un material activo de alta impedancia con un gas de baja impedancia, como describen Gani, O'Leary y Galbraith (IEEE Sensors Journal, 2026). En el hidrógeno, el desajuste es mayor, entra menos energía en el gas y disminuye la relación señal-ruido (SNR: intensidad del pulso recibido en comparación con el ruido eléctrico y acústico de fondo). Por tanto, la señal débil comienza en la interfaz del transductor, lo que convierte el diseño del transductor en la primera palanca de mejora.
La temperatura debe medirse cerca del recorrido acústico. La velocidad del sonido del hidrógeno aumenta aproximadamente 2,07 m/s por K entre 0 y 100 °C, frente a unos 0,65 m/s por K en el metano (ambos valores calculados a partir de datos del NIST). El mismo error de temperatura modifica la velocidad del sonido aproximadamente tres veces más en el hidrógeno, y cualquier valor de caudal o composición calculado a partir de esa velocidad incorpora el mismo error.
Medición del caudal de hidrógeno en electrolizadores PEM y pilas de combustible
Las corrientes de hidrógeno OEM son húmedas y cambian de composición durante el funcionamiento, por lo que un caudalímetro calibrado para hidrógeno puro y seco mide un gas diferente del que circula por el sistema. La presión suele ser de 1 a 20 bar, lo que reduce aún más la densidad.
Hidrógeno húmedo en la salida del electrolizador PEM
El agua (18,0153 g/mol) es aproximadamente 9 veces más pesada que el hidrógeno (2,01588 g/mol), según NIST. Incluso unos pocos puntos porcentuales de vapor de agua en la salida de un electrolizador modifican de forma apreciable la masa molar y la velocidad del sonido de la mezcla: un 5 % molar de agua aumenta la masa molar aproximadamente un 40 % (cálculo para una mezcla ideal). En la electrólisis alcalina, los caudalímetros ultrasónicos también funcionan en el lado líquido, donde controlan la concentración del electrolito KOH junto con su caudal.
Mezclas H2/N2/H2O en la recirculación del ánodo de una pila de combustible
La recirculación del ánodo es el circuito de una pila de combustible PEM que devuelve a la entrada el hidrógeno no utilizado, junto con nitrógeno y vapor de agua, desde la salida del stack. El medio recirculado se enriquece con nitrógeno, más pesado, lo que modifica las propiedades de la mezcla. En un modelo de recirculación del ánodo, la purga comienza cuando la proporción de hidrógeno respecto al nitrógeno cae por debajo de 80:20 en volumen, y la capacidad calorífica específica de la mezcla disminuye de aproximadamente 9.000 a unos 4.000 J/(kg·K) a medida que se acumulan nitrógeno y vapor de agua (Nachtigal et al., ETC 2023).
Una lectura de caudal que presuponga hidrógeno puro se desvía a medida que se acumula nitrógeno. El seguimiento de la composición del circuito mediante la medición de la composición basada en la velocidad del sonido (lectura de la mezcla gaseosa a partir de su velocidad del sonido) mantiene válidas las lecturas de volumen y masa e indica el momento de la purga.
Baja presión, bajo caudal y transitorios en sistemas OEM
La baja presión reduce la densidad y debilita aún más el acoplamiento. Los caudalímetros clamp-on necesitan una presión mínima del fluido aproximadamente tres veces superior a la requerida para el gas natural (Hoheisel y Schwede, GFMW 2024), por lo que los circuitos de baja presión requieren una geometría en línea diseñada para hidrógeno.
El arranque, los cambios de carga y las purgas producen variaciones rápidas del caudal y la composición, por lo que el tiempo de respuesta es importante. El turndown, es decir, la relación entre el caudal máximo y mínimo que un caudalímetro mide dentro de su precisión especificada, determina si un solo caudalímetro cubre tanto el funcionamiento en vacío como a plena carga. La electrólisis a escala de laboratorio y los bancos de pruebas exigen además un caudal mínimo reducido.
¿Qué factores afectan a la precisión de la medición del caudal de hidrógeno?
Además de la acústica, cuatro factores determinan el presupuesto de error de una lectura de caudal de hidrógeno: la composición del gas, la salida másica o volumétrica, el método de calibración y la compensación de presión y temperatura.
Algunos modelos ultrasónicos necesitan corregir el sesgo causado por la composición del gas, según un estudio de TÜV SÜD NEL, VSL y DNV (Chinello et al., 2025). En pruebas con caudalímetros de gas de baja presión para hidrógeno puro, una impureza de nitrógeno del 2 % afectó al caudal volumétrico ultrasónico (Mussard et al., Hydrogen, 2026).
Elija deliberadamente entre salida másica y volumétrica. El caudal volumétrico es el volumen por unidad de tiempo en las condiciones de la línea; el caudal másico es la masa por unidad de tiempo y necesita la densidad, que depende de la presión, la temperatura y la composición. El volumen normal (estándar) convierte la lectura a una presión y temperatura de referencia fijas para que los valores sean comparables.
A modo de comparación, la norma OIML R 139 establece las clases de precisión 2 y 4 para sistemas de suministro de hidrógeno, con un error máximo permitido del 1,5 % para un caudalímetro de clase 2; la medición en repostaje y la transferencia de custodia son problemas de medición independientes.
Calibración de caudalímetros de hidrógeno con gases sustitutivos
La MetroHyVe 2 Good Practice Guide (2023) indica que no existen instalaciones de calibración de caudal trazables que trabajen con hidrógeno a presiones realistas (hasta 700 bar) y temperaturas de entre -40 y 50 °C. Por ello, la mayoría de los caudalímetros se calibran con aire, nitrógeno, agua o helio. En la misma guía, la calibración con aire y nitrógeno produjo incertidumbres expandidas del 0,67 % al 0,77 % en los caudales más bajos, y la calibración con agua, del 0,16 % al 0,42 %. La calibración de hidrógeno acreditada según ISO 17025 es escasa.
Igualar el número de Reynolds, la relación adimensional entre fuerzas inerciales y viscosas que describe el perfil de flujo, permite transferir una calibración de un gas a otro. Sin embargo, con números de Reynolds similares, el hidrógeno circula aproximadamente 7 veces más rápido que el gas natural (Krajcin, Chudoba y Laan, GFMW 2022). Cavuoto et al. (Int. J. Hydrogen Energy, 2025) utilizan helio como fluido de referencia porque su velocidad del sonido se aproxima más a la del gas rico en hidrógeno, alcanzando una incertidumbre expandida del 0,09 % (k=2).
Materiales de los caudalímetros de hidrógeno, fragilización y requisitos ATEX
La fragilización por hidrógeno es la pérdida de ductilidad de algunos metales cuando los átomos de hidrógeno penetran en el material, lo que puede provocar grietas bajo tensión. Sandia National Laboratories informa de que el acero inoxidable 316 es más resistente a la fractura asistida por hidrógeno que la mayoría de los demás aceros inoxidables austeníticos. La misma referencia señala que la resistencia mejora con el contenido de níquel y que la fragilización es más intensa cerca de 200 K.
El hidrógeno también es una molécula pequeña que puede permear y escaparse, por lo que deben revisarse tanto las juntas y los diafragmas de los sensores como el cuerpo del caudalímetro. El hidrógeno es un gas del grupo IIC, por lo que la electrónica instalada en zonas peligrosas necesita una certificación ATEX o IECEx adecuada para ese grupo y zona.
¿Pueden los caudalímetros ultrasónicos medir hidrógeno?
Los caudalímetros ultrasónicos de tiempo de tránsito miden hidrógeno puro y mezclas de hidrógeno cuando la impedancia del transductor, la frecuencia, la electrónica de temporización y el recorrido del flujo están diseñados para la velocidad del sonido y la densidad del hidrógeno. Cada uno de los siguientes cambios de diseño responde a un problema específico del hidrógeno, desde la señal débil hasta la sensibilidad a la temperatura:
- Señal débil: los transductores con capas de adaptación de baja impedancia aumentan la energía que entra en el gas (Gani et al., 2026).
- Crosstalk: el sonido que viaja por el cuerpo del caudalímetro o la pared de la tubería y llega al receptor antes que el pulso que atraviesa el gas se gestiona mediante filtros y ajustes de frecuencia (Krajcin, Chudoba y Laan, GFMW 2022).
- Tiempos de tránsito cortos: la electrónica de temporización rápida y las ventanas de recepción tempranas captan el pulso.
- Baja presión: una geometría del recorrido diseñada para baja presión mantiene la señal utilizable.
- Sensibilidad a la temperatura: la temperatura se mide cerca del recorrido acústico.
El método no tiene piezas móviles y presenta una pérdida de presión insignificante en un conducto recto, algo importante en los electrolizadores porque recuperar la presión resulta costoso.
¿Cómo se mide la concentración de hidrógeno en una mezcla gaseosa?
La velocidad del sonido depende de la masa molar mediante c = √(γRT/M), donde γ es la relación de capacidades caloríficas, R la constante de los gases, T la temperatura y M la masa molar. Por tanto, una velocidad del sonido medida junto con la temperatura revela la proporción de la mezcla de una mezcla conocida de dos gases; los transductores ultrasónicos micromecanizados distinguieron cambios inferiores al 2 % molar de hidrógeno en mezclas de gas natural (Monsalve et al., 2024). Para el gas de tres componentes H2/N2/H2O en un circuito de pila de combustible, una medición de humedad independiente determina la proporción de agua y, a continuación, la velocidad del sonido proporciona la relación H2/N2.
Limitaciones de la medición ultrasónica del caudal de hidrógeno
La medición ultrasónica en hidrógeno presenta cinco limitaciones conocidas:
- Sesgo de composición: algunos modelos ultrasónicos necesitan corregir el sesgo causado por la composición del gas (Chinello et al., 2025).
- Caudalímetros diseñados para gas natural: en la primera intercomparación europea con hasta un 20 % de hidrógeno, un caudalímetro ultrasónico diseñado para gas natural mostró una reproducibilidad limitada, con una incertidumbre estándar del 0,50 % (Mussard et al., 2026).
- Transferencia de calibración: la calibración con aire, nitrógeno, agua o helio añade incertidumbre, ya que no existe una instalación de calibración de caudal trazable que opere con hidrógeno a presiones y temperaturas realistas (MetroHyVe 2, 2023).
- Resultados en campo: un caudalímetro clamp-on indicó aproximadamente un 1,5 % más que un caudalímetro ultrasónico en línea en DN250, y se desvió aproximadamente un 1 % de media respecto a tres caudalímetros Coriolis en DN400 (Hoheisel y Schwede, GFMW 2024).
- Rango de composición: la velocidad del sonido proporciona la proporción de la mezcla únicamente cuando el gas es una mezcla conocida de dos gases.
¿Qué caudalímetro es mejor para el gas hidrógeno?
Ningún tipo de caudalímetro se adapta a todas las aplicaciones de hidrógeno. Los caudalímetros Coriolis miden directamente la masa y son la opción predeterminada para el repostaje, mientras que los circuitos OEM de baja presión suelen requerir otros diseños. La tabla compara los principales tipos para hidrógeno.
Tipo de caudalímetro | Principio de medición | Limitación específica para hidrógeno | Se adapta a condiciones OEM cuando |
|---|---|---|---|
Ultrasónico de tiempo de tránsito | Diferencia de tiempo de los pulsos sonoros a favor y en contra del flujo | Señal débil a baja densidad, por lo que los transductores y el recorrido deben diseñarse para hidrógeno; sesgo de composición en algunos modelos. | La pérdida de presión debe mantenerse baja, el flujo puede invertirse o es necesario seguir la composición |
Coriolis | Medición directa de masa a partir de la vibración del tubo | Necesita una densidad mínima (presión mínima) y añade pérdida de presión | Se requiere caudal másico y la presión es suficientemente alta |
Másico térmico | Transferencia de calor al gas | Las unidades sin configurar presentaron un error de aproximadamente +25 %; las configuradas se mantuvieron dentro de ±1,2 % (Chinello et al., 2025) | El caudalímetro está configurado para hidrógeno y basta con una precisión moderada |
Presión diferencial, vórtex, turbina | Diferencia de presión, desprendimiento de vórtices, velocidad del rotor | Poco práctico en hidrógeno: baja densidad y, en el caso de la turbina, piezas móviles | Rara vez para hidrógeno OEM |
La elección adecuada depende de la presión, la composición, de si se necesita masa o volumen y del medio de calibración.
Caudalímetro de hidrógeno Allengra para mezclas H2/N2/H2O
El Allengra Hydrogen Flow Meter es un caudalímetro ultrasónico para el hidrógeno húmedo, de composición variable y baja presión que se encuentra en electrolizadores PEM y circuitos de pilas de combustible. Un solo dispositivo mide el caudal volumétrico, el caudal másico, la humedad, la temperatura, la presión y la composición H2/N2/H2O. Las aplicaciones previstas son la recirculación del ánodo de pilas de combustible PEM, electrolizadores, monitorización de stacks de pilas de combustible y bancos de pruebas.
Parámetro | Especificación del fabricante Allengra |
|---|---|
Rango de caudal, volumen | 3/4": 10 a 1000 l/min; 1": 20 a 1700 l/min (prototipo); 1 1/2": 40 a 3400 l/min (prototipo) |
Caudal volumétrico | ±3 % del valor medido |
Caudal másico | ±4 % del valor medido |
Presión | 0,8 a 20 bar(a) |
Temperatura | -20 a 85 °C |
Humedad | 0 a 100 % RH (±3 %) |
Respuesta | Caudal volumétrico y presión por debajo de 0,5 s |
Interfaces | CAN-Bus, Modbus |
Piezas en contacto con el fluido | 316L y sílice (la ficha técnica también enumera SS 303, SS 304 y fotopolímero) |
Cada especificación responde a un problema de medición del hidrógeno en sistemas OEM:
- Humedad y composición: la lectura de humedad permite al caudalímetro separar el vapor de agua de la proporción de nitrógeno en el gas H2/N2/H2O.
- Rango de presión: el extremo inferior de 0,8 bar(a) cubre los circuitos de baja presión donde la densidad es mínima.
- Tiempo de respuesta: el arranque, los cambios de carga y las purgas producen variaciones rápidas que una respuesta inferior a 0,5 s está diseñada para seguir.
- Salidas e interfaces: están disponibles tanto el caudal másico como el volumétrico, con CAN-Bus y Modbus para el sistema de control.
Las variantes, los planos y la ficha técnica se encuentran en la página de producto de Allengra para este caudalímetro, que también permite solicitar presupuestos. Para el lado del aire del cátodo, el caudalímetro de Allengra para el aire de admisión de pilas de combustible mide aire húmedo con el mismo método ultrasónico.
Medición del caudal de hidrógeno en la práctica: entrevista con I+D de Allengra
Para comprobar cómo se manifiestan estos efectos en sistemas reales, formulamos a Cristian Berindea, ingeniero de I+D de Allengra, cuatro preguntas sobre la medición del hidrógeno en la práctica.
1. ¿Qué desafíos afrontan al medir hidrógeno?
Los principales desafíos están relacionados con la manipulación del propio gas. Como el hidrógeno se almacena en cilindros a alta presión (por encima de 250 bar), los cilindros deben asegurarse y manipularse con mucho cuidado al conectarlos al banco de pruebas.
El hidrógeno también es un gas altamente inflamable, por lo que debemos adoptar amplias precauciones de seguridad para garantizar que las pruebas y la calibración se realicen en condiciones adecuadas y seguras.
Desde el punto de vista de la integración del hidrógeno en un banco de pruebas, otro desafío es su baja densidad (aproximadamente 14 veces menor que la del aire), que dificulta especialmente el sellado del sistema. Por ello, los sensores deben inspeccionarse minuciosamente en las soldaduras y los puntos de conexión para evitar incluso las fugas más pequeñas, que podrían tener consecuencias graves.
2. ¿En qué otros proyectos han participado nuestros sensores, además de MiNaMi (el proyecto que desarrolla el primer sistema de pila de combustible PEM de Europa a escala de megavatios para el transporte marítimo)?
La gran mayoría de los proyectos en los que participamos, mediante colaboraciones con distintas empresas, se centran en el desarrollo y la mejora de pilas de combustible.
Un buen ejemplo es el uso de nuestros sensores en la industria aeroespacial, con socios como ZeroAvia, MTU, H2Fly y DLR. Estos proyectos se centran en el desarrollo de pilas de combustible para la propulsión de aeronaves, principalmente prototipos y aeronaves experimentales, con el objetivo a largo plazo de eliminar por completo las emisiones de CO₂.
3. ¿Son los sensores ultrasónicos la mejor opción para el hidrógeno? En caso afirmativo, ¿por qué?
En general, los sensores ultrasónicos se consideran una de las mejores opciones para medir el caudal de hidrógeno.
Más concretamente, los sensores ultrasónicos de Allengra ofrecen una solución de medición del caudal con una pérdida de presión mínima en el sistema, ya que no tienen componentes mecánicos que obstruyan el flujo.
Los sensores de Allengra también pueden determinar la composición de los gases medidos. Esto permite identificar la mezcla gaseosa presente en el sistema, así como la humedad relativa del gas.
Los sensores ultrasónicos también son una solución escalable, ya que pueden adaptarse fácilmente a distintos caudales y diámetros de tubería.
4. ¿Dónde debe medirse el caudal de hidrógeno? ¿Cuáles son las aplicaciones?
Nuestros caudalímetros se utilizan generalmente en pilas de combustible y electrolizadores.
En aplicaciones con pilas de combustible, se utilizan principalmente en el circuito de recirculación del ánodo, donde se mide el caudal de hidrógeno no utilizado antes de recircularlo y reutilizarlo para maximizar la eficiencia del sistema.
En este caso, también pueden medirse la pureza del hidrógeno, la composición del gas y la humedad. Esta información ayuda a determinar la eficiencia del funcionamiento del sistema, incluido el grado de eficacia con que separa y gestiona el vapor de agua presente.
Algunos ejemplos de aplicaciones son:
● Alimentación de respaldo para centros de datos y hospitales: los sistemas de pilas de combustible de Ceres Power proporcionan un suministro eléctrico fiable y continuo sin depender de la red eléctrica local.
● Electrólisis del hidrógeno: medición del caudal y la cantidad de hidrógeno producido mediante la electrólisis del agua.
● Generación de electricidad mediante pilas de combustible: para aplicaciones industriales en zonas remotas sin acceso fiable a la electricidad, generalmente para operaciones de producción y minería de pequeña y mediana escala. En algunos casos, las pilas de combustible también se utilizan para calefacción como subproducto de la generación eléctrica, lo que aumenta la eficiencia global del sistema al aprovechar la energía térmica en lugar de desperdiciarla.
● Industria del transporte: los sistemas de pilas de combustible de hidrógeno todavía no se utilizan a gran escala, pero ya se están implantando en autobuses, camiones y vehículos de pasajeros.
Buenas prácticas para medir el caudal de hidrógeno: lista de comprobación de especificaciones OEM
Utilice esta lista en una solicitud de ficha técnica o en una revisión de diseño.
Elemento | Qué solicitar | Por qué es importante para el hidrógeno |
|---|---|---|
Composición del gas | Rango H2/N2/H2O y umbrales de purga | La velocidad del sonido y la densidad cambian con la mezcla |
Humedad | Rango; medida o compensada | El agua es aproximadamente 9 veces más pesada que el hidrógeno |
Presión de funcionamiento | Rango y presión mínima del caudalímetro en hidrógeno | La baja densidad debilita la señal |
Temperatura | Rango y posición del sensor respecto al recorrido acústico | La velocidad del sonido aumenta aproximadamente 2,07 m/s por K |
Rango de caudal | Turndown desde el funcionamiento en vacío hasta plena carga | Un solo caudalímetro debe cubrir ambos |
Tiempo de respuesta | Valor para el arranque y los eventos de purga | Los transitorios modifican rápidamente el caudal y la composición |
Salida | Caudal másico, caudal volumétrico o volumen normal | La masa necesita la densidad |
Calibración | Medio e incertidumbre declarada | Los gases sustitutivos añaden incertidumbre |
Materiales en contacto con el fluido | Grado de acero, juntas y material del transductor | Fragilización y permeación |
Área peligrosa | ATEX o IECEx, grupo IIC y zona | El hidrógeno es inflamable |
Interfaces | CAN-Bus, Modbus u otra | Integración con el sistema de control |
Instalación | Tramos rectos, purga y mantenimiento | Afecta a las lecturas y al servicio |
Para analizar un sistema concreto, solicite un presupuesto a Allengra y adjunte la lista de comprobación cumplimentada.
