Electrospray de partículas catalíticas y depósito nano-estructurado (a diferentes escalas). Imagen: divulgaUNED
El Departamento de Energía de EEUU ha marcado una meta de potencia para las pilas de combustibles a cumplir en 2017, pero investigadores de la UNED ya lo han conseguido. El secreto es un nuevo método de fabricación desarrollado y patentado por el equipo español para uno de sus componentes.
“En el área de las pilas de combustible, el Departamento de Energía de EEUU planteó unos objetivos que deberían alcanzarse entre 2017-2020, y algunos de estos ya los hemos superado en nuestro laboratorio”, explica Pedro Luis García Ybarra, investigador del departamento de Física Matemática y de Fluidos de la UNED. Su equipo ha desarrollado un método de fabricación para uno de los componentes que permite a la pila superar la meta de potencia marcada en EEUU.
Así, con una carga ultra-baja de platino de 0,01 mg/cm2 en los electrodos, han alcanzado una alto aprovechamiento de platino que permite generar 10 kW/g de este metal, unas cifras que mejoran sensiblemente las previstas por el departamento norteamericano (8 kW/g con una carga de platino diez veces superior, de 0,125 mg/cm2).
Normalmente, las pilas de combustible generan electricidad a partir de hidrógeno y aire. Este proceso es limpio, ya que expulsan vapor de agua en lugar de producir CO2, como los motores de combustión interna de gasolina y gasoil. Además, si el hidrógeno se obtiene a partir de energías renovables (por hidrólisis de agua, por ejemplo, con energía eólica o solar) la contaminación en este ciclo energético se reduciría a niveles mínimos.
Para superar el rendimiento marcado por las autoridades norteamericanas, los científicos han optimizado un elemento de la pila polimérica denominado 'ensamblaje membrana-electrodos' (MEA). “Este componente es común a todas las pilas de combustible poliméricas”, afirma José Luis Castillo, investigador también del departamento de Física Matemática y de Fluidos de la UNED.
Controlar las propiedades del material
El resultado ha sido patentado por los investigadores como una metodología para depositar capas delgadas y nanoestructuradas de electrocatalizador sobre los electrodos, que se unen por simple contacto a ambos lados de la membrana polimérica, constituyendo el MEA.
Gracias a la metodología utilizada para la deposición de la capa catalítica (electrospray) se consigue aumentar considerablemente el rendimiento. “Hemos sido capaces de controlar las propiedades morfológicas (porosidad y rugosidad) del material generado por las partículas cuando se depositan, aumentando sustancialmente la superficie activa”, asegura Castillo, y añade: “Como el rendimiento depende de la superficie de las partículas catalíticas expuesta al gas reactivo, y esta se ha hecho muy grande, hemos alcanzado un elevado rendimiento”.
“En el área de las pilas de combustible, el Departamento de Energía de EEUU planteó unos objetivos que deberían alcanzarse entre 2017-2020, y algunos de estos ya los hemos superado en nuestro laboratorio”, explica Pedro Luis García Ybarra, investigador del departamento de Física Matemática y de Fluidos de la UNED. Su equipo ha desarrollado un método de fabricación para uno de los componentes que permite a la pila superar la meta de potencia marcada en EEUU.
Así, con una carga ultra-baja de platino de 0,01 mg/cm2 en los electrodos, han alcanzado una alto aprovechamiento de platino que permite generar 10 kW/g de este metal, unas cifras que mejoran sensiblemente las previstas por el departamento norteamericano (8 kW/g con una carga de platino diez veces superior, de 0,125 mg/cm2).
Normalmente, las pilas de combustible generan electricidad a partir de hidrógeno y aire. Este proceso es limpio, ya que expulsan vapor de agua en lugar de producir CO2, como los motores de combustión interna de gasolina y gasoil. Además, si el hidrógeno se obtiene a partir de energías renovables (por hidrólisis de agua, por ejemplo, con energía eólica o solar) la contaminación en este ciclo energético se reduciría a niveles mínimos.
Para superar el rendimiento marcado por las autoridades norteamericanas, los científicos han optimizado un elemento de la pila polimérica denominado 'ensamblaje membrana-electrodos' (MEA). “Este componente es común a todas las pilas de combustible poliméricas”, afirma José Luis Castillo, investigador también del departamento de Física Matemática y de Fluidos de la UNED.
Controlar las propiedades del material
El resultado ha sido patentado por los investigadores como una metodología para depositar capas delgadas y nanoestructuradas de electrocatalizador sobre los electrodos, que se unen por simple contacto a ambos lados de la membrana polimérica, constituyendo el MEA.
Gracias a la metodología utilizada para la deposición de la capa catalítica (electrospray) se consigue aumentar considerablemente el rendimiento. “Hemos sido capaces de controlar las propiedades morfológicas (porosidad y rugosidad) del material generado por las partículas cuando se depositan, aumentando sustancialmente la superficie activa”, asegura Castillo, y añade: “Como el rendimiento depende de la superficie de las partículas catalíticas expuesta al gas reactivo, y esta se ha hecho muy grande, hemos alcanzado un elevado rendimiento”.
Otra de las ventajas del procedimiento es su facilidad para ser escalado, es decir, que estos componentes de las pilas pueden reproducirse a escala industrial a bajo coste, evitando las dificultades registradas con otras metodologías.
El coste del catalizador de platino supone más del 30 % del valor total de una pila. De ahí que construir pilas de combustible a precios competitivos sea uno de los retos perseguidos por la comunidad investigadora. Con pilas baratas podría generalizarse su uso en automoción, sustituyendo los motores de combustión interna por motores eléctricos alimentados por una pila de combustible.
Adecuación a la demanda energética
Abaratando costes, también podría explotarse otra de sus posibles aplicaciones: dar solución al problema de la discontinuidad y la adecuación a la demanda energética que presentan las energías renovables. Actualmente, los acumuladores eléctricos (baterías) solucionan el problema, pero las pilas de combustible serían una medida más sencilla y económica.
“Una de las ideas es utilizar el exceso de electricidad generado en las horas valle de demanda para, mediante la hidrólisis del agua, producir hidrógeno y almacenarlo. Así, cuando llegue una hora pico de demanda, se conectaría la pila de combustible para conseguir una generación adicional de electricidad”, detalla García Ybarra. “De esta forma, se consigue estabilizar la producción de energía mediante fuentes renovables”, añade el investigador.
Junto al reto de abaratar componentes, los científicos tienen por delante conseguir que estos sean duraderos. De momento, una de las pilas desarrolladas por los investigadores ya lleva funcionando más de 1.000 horas de forma ininterrumpida.
El coste del catalizador de platino supone más del 30 % del valor total de una pila. De ahí que construir pilas de combustible a precios competitivos sea uno de los retos perseguidos por la comunidad investigadora. Con pilas baratas podría generalizarse su uso en automoción, sustituyendo los motores de combustión interna por motores eléctricos alimentados por una pila de combustible.
Adecuación a la demanda energética
Abaratando costes, también podría explotarse otra de sus posibles aplicaciones: dar solución al problema de la discontinuidad y la adecuación a la demanda energética que presentan las energías renovables. Actualmente, los acumuladores eléctricos (baterías) solucionan el problema, pero las pilas de combustible serían una medida más sencilla y económica.
“Una de las ideas es utilizar el exceso de electricidad generado en las horas valle de demanda para, mediante la hidrólisis del agua, producir hidrógeno y almacenarlo. Así, cuando llegue una hora pico de demanda, se conectaría la pila de combustible para conseguir una generación adicional de electricidad”, detalla García Ybarra. “De esta forma, se consigue estabilizar la producción de energía mediante fuentes renovables”, añade el investigador.
Junto al reto de abaratar componentes, los científicos tienen por delante conseguir que estos sean duraderos. De momento, una de las pilas desarrolladas por los investigadores ya lleva funcionando más de 1.000 horas de forma ininterrumpida.