Las pilas de combustible no están muertas: dan con un método que las hará competitivas

Para que los vehículos pesados ​​propulsados ​​por hidrógeno sean una alternativa a los que funcionan con combustión, es esencial contar con pilas de combustible más eficientes y duraderas. Investigadores de la Universidad Tecnológica de Chalmers (Suecia) han desarrollado un método innovador para estudiar y comprender cómo se degradan con el tiempo las partes de las pilas de combustible. Se trata de un paso importante para mejorar el rendimiento de las pilas de combustible y convertirlas en un éxito comercial.

El hidrógeno es una alternativa de combustible que cada vez resulta más interesante para los vehículos pesados. Los vehículos propulsados ​​por hidrógeno solo emiten vapor de agua como escape y, si el hidrógeno se produce mediante energía renovable, está completamente libre de emisiones de dióxido de carbono.

A diferencia de los vehículos eléctricos alimentados por baterías, los vehículos propulsados ​​por hidrógeno no necesitan sobrecargar la red eléctrica, ya que el hidrógeno se puede producir y almacenar cuando la electricidad es barata. En algunos vehículos propulsados ​​por hidrógeno, la propulsión se realiza mediante una llamada pila de combustible.

Vida útil corta

Sin embargo, los vehículos propulsados ​​por pilas de combustible de hidrógeno tienen una vida útil relativamente corta, ya que los componentes de las pilas de combustible, como los electrodos y las membranas, se degradan con el tiempo. Este es el problema que aborda el estudio reciente.

Los investigadores de la Universidad Tecnológica de Chalmers han desarrollado un nuevo método para estudiar los efectos del envejecimiento de las pilas de combustible mediante el seguimiento de una partícula específica en la pila de combustible durante su uso.

El equipo de investigadores ha estudiado una pila de combustible completa desmontándola a intervalos regulares. Utilizando microscopios electrónicos avanzados, han podido seguir después cómo se degrada el electrodo del cátodo en zonas específicas durante los ciclos de uso. Estudios anteriores se han realizado en las llamadas semipilas, que son similares (pero no iguales) a la mitad de una pila de combustible y se llevan a cabo en condiciones que difieren significativamente de las de la pila de combustible real.

Mejor comprensión con nuevo método experimental

"Anteriormente se había asumido que el rendimiento se vería afectado si se desmontaba la pila de combustible y se estudiaba como lo hemos hecho, pero resultó que esta suposición no es correcta, lo cual es sorprendente", dice el líder de la investigación Björn Wickman, profesor asociado del Departamento de Física de Chalmers.

Los investigadores de Chalmers han podido explorar cómo se degrada el material de la pila de combustible tanto a nivel nanométrico como micrométrico, y determinar exactamente cuándo y dónde se produce la degradación. Esto proporciona información valiosa para el desarrollo de nuevas y mejores pilas de combustible con una vida útil más larga.

"Antes, sólo se podía observar el envejecimiento de las pilas de combustible tras su uso; ahora podemos observar la fase intermedia", afirma Linnéa Strandberg, estudiante de doctorado de Chalmers. "Poder seguir una única partícula elegida dentro de una zona específica nos ha permitido comprender mucho mejor los procesos de degradación. Un mayor conocimiento de estos procesos es un paso importante en el camino hacia el diseño de nuevos materiales para pilas de combustible o para ajustar el control de las mismas".

Pilas de combustible más duraderas

El Departamento de Energía de Estados Unidos (DOE) ha señalado que la mejora de la vida útil de las pilas de combustible es uno de los objetivos más importantes que hay que alcanzar para que los vehículos de hidrógeno alimentados con pilas de combustible puedan tener éxito comercial. Según la industria, un camión debe poder soportar entre 20.000 y 30.000 horas de conducción a lo largo de su vida útil , algo que un camión de hidrógeno alimentado con pilas de combustible no puede lograr hoy en día.

"Hemos sentado las bases para desarrollar mejores pilas de combustible. Ahora sabemos más sobre los procesos que tienen lugar en ellas y en qué momento de su vida útil se producen. En el futuro, este método se utilizará para desarrollar y estudiar nuevos materiales que puedan alargar la vida útil de las pilas de combustible", afirma Björn Wickman.

Cómo funciona una pila de combustible

El núcleo de una pila de combustible consta de tres capas activas, dos electrodos (ánodo y cátodo respectivamente) y una membrana conductora de iones en el medio. Cada celda individual proporciona un voltaje de aproximadamente 1 voltio. Los electrodos contienen material catalizador y se les añade hidrógeno y oxígeno. El proceso electroquímico resultante genera agua limpia y electricidad que se puede utilizar para propulsar un vehículo.