Investigadores de la Universidad de Nueva Gales del Sur (Sídney) trabajan para mejorar la eficiencia y el coste de las celdas de combustible de hidrógeno. El objetivo de la investigación es aumentar la viabilidad comercial de las pilas de combustible. Consideran que, a pesar de su potencial, el camino para su comercialización ha sido lento. Eso a pesar de postularse como un actor clave para la descarbonización.
De ahí, el trabajo del profesor Chuan Zhao, el Dr. Quentin Meyer y el Sr. Shiyang Liu de la Facultad de Química de la UNSW.
Consideran importantes los problemas del coste y los recursos de algunos de los elementos clave que componen una celda de combustible de hidrógeno. Entre ellos, el platino, el material comúnmente utilizado como catalizador necesario para activar el proceso. Para ellos, es esencial crear alternativas a los catalizadores de platino. Según el profesor Zhao:
“El platino siempre va a ser caro, porque no hay mucho por ahí.
Por lo tanto, debemos explorar alternativas, al mismo tiempo que proporcionamos una forma rápida y fácil de medir qué tan bien funcionan estos nuevos materiales en las celdas de combustible de hidrógeno».
La investigación se ha publicado en Energy & Environmental Science. El equipo ha desarrollado un proceso innovador para probar la durabilidad y estabilidad de las alternativas de platino. Proporcionará nuevos conocimientos sobre opciones económicas para las pilas de combustible de hidrógeno.
Pilas de combustible
Las celdas de combustible de hidrógeno se desarrollaron como una fuente de energía verde en el siglo XIX. Utilizan reacciones químicas para descomponer el hidrógeno en protones y electrones, produciendo electricidad y agua. Explica el Dr Meyer sobre la pila de combustible:
“Esencialmente, tiene dos lados: un ánodo y un cátodo.
Pones hidrógeno en un lado (el ánodo) y oxígeno en el otro (el cátodo), y catalizadores que hacen que sucedan las dos reacciones”.
Asimismo, añade:
“Una reacción es dividir el hidrógeno en protones y electrones, y luego el otro lado oxida el oxígeno. Los protones y electrones reaccionan con el oxígeno en el cátodo para producir agua y electricidad”.
La diferencia clave entre la tecnología de celdas de combustible y las baterías es que no es necesario cargar las celdas de combustible de hidrógeno. En lugar de una bomba de gasolina, solo tiene una bomba de hidrógeno. Y, además, sólo se necesitan tres minutos para repostar un automóvil con celda de combustible de hidrógeno.
El proceso no sólo se considera una fuente de energía limpia, ya que solo produce agua como subproducto, sino que también es sostenible. Además, el hidrógeno en sí es un elemento muy abundante y, aunque no se produce de forma natural, se puede extraer del agua.
El coste de las pilas de combustible
Según el profesor Zhao:
“Nos enfrentamos a un problema tipo ‘el huevo o la gallina’, en el que no tenemos suficiente hidrógeno para procesar, o suficientes lugares para usar el hidrógeno una vez que se ha extraído.
Por tanto, a medida que comencemos a producir más hidrógeno y más celdas de combustible, ambos serán más baratos”.
Otro problema clave es el coste del catalizador. El platino, que forma la capa intermedia esencial de una celda de combustible, cuesta entre entre 45.000 y 100.000 dólares australianos el kilo (1 dólar australiano equivale, aproximadamente, a 0,59 euros. Según el Sr. Liu:
«Un enfoque es utilizar alternativas al platino, como el hierro, que solo cuesta alrededor de 0,1 dólares australianos por kilo. Un material particularmente prometedor es el hierro-nitrógeno-carbono, también conocido como Fe-NC».
Sin embargo, estas nuevas alternativas de platino actualmente no están ampliamente disponibles. Entre otras cosas, porque no son tan estables como el platino y se descomponen a un ritmo más rápido en las celdas de combustible. Según indica el Dr. Meyer:
“Mientras que las celdas de combustible a base de platino pueden durar hasta 40 000 horas (alrededor de 4 años y medio), los materiales de hierro, nitrógeno y carbono solo pueden funcionar hasta 300 horas (alrededor de 2 semanas), en el mejor de los casos”.
El progreso de las investigaciones relacionadas con este tema ha sido lento. Encontrar alternativas y probar su durabilidad es un proceso largo y costoso. Indica Meyer al respecto:
“Por ejemplo, la creación de un nuevo catalizador de pila de combustible de hidrógeno puede llevar hasta un año, y luego incluso más para entender exactamente lo que está sucediendo utilizando equipos costosos a los que es difícil acceder”.
El trabajo de investigación de la UNSW
Para el equipo de la UNSW, la forma de abordar el problema fue desarrollar un método para analizar y comprender la estabilidad de otros materiales catalizadores. Explica Zhao:
“Usando tres métodos novedosos que probamos en el laboratorio, podemos determinar rápidamente qué tan estable es nuestra celda de combustible sin platino y, lo que es más importante, comprender por qué. Los científicos de otros laboratorios pueden adoptar fácilmente este enfoque para obtener información rápida y precisa sobre la eficiencia de sus pilas de combustible y catalizadores”.
Mediante estas técnicas, el equipo reveló que hasta el 75% de los sitios activos a base de hierro (los lugares específicos donde ocurren las reacciones) se vuelven inactivos en las primeras 10 horas de funcionamiento de la celda de combustible. A esto le sigue la corrosión por carbono que se convierte en el mecanismo de degradación predominante. Señala Meyer:
“Esto es particularmente significativo ya que podemos identificar exactamente lo que está sucediendo y cuándo sucede. Si desarrollamos un material que tenga sitios activos más estables, deberíamos ver una descomposición más lenta en las primeras 10 horas, mientras que la corrosión por carbono puede tener una tendencia similar”.
Y, además:
“Al permitir un seguimiento preciso de los mecanismos de degradación, esperamos que el campo de investigación pueda fabricar nuevos materiales que aborden estos problemas de estabilidad. Como resultado, creemos que nuestro enfoque ayudará a mejorar la estabilidad de los catalizadores sin platino y le dará a este campo un futuro más brillante”.
Avances futuros
Si bien este es un paso importante en el campo de las celdas de combustible de hidrógeno, el equipo ya tiene nuevos objetivos. Indica Zhao:
“Estamos desarrollando un catalizador en el que combinamos diferentes metales para aumentar la estabilidad de los catalizadores.
Usando el proceso que hemos desarrollado aquí, podemos obtener información rápida y confiable sobre la estabilidad de estos catalizadores sin platino de bajo coste. Esto nos brinda algunos resultados emocionantes al comprender lo que está sucediendo”.
El equipo también se está enfocando en cómo pueden aumentar la escalabilidad del catalizador de celda de combustible sin platino y de bajo coste. Y cómo llevarlo del laboratorio a un producto que pudiera usarse para alimentar dispositivos reales. Así, algún día, podrían impulsar el transporte limpio en las carreteras.
FUENTE: Hydrogen Central.
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