Investigadores descubren que cambiar el pH de un electrolizador resuelve un problema de décadas

La investigación realizada por un grupo de científicos del Massachussets Institute of Technology ha revelado que es posible resolver uno de los principales problemas más longevos que tienen las pilas de combustible: su vida útil.

Este proyecto, inicialmente financiado por el Departamento de Energía de Estados Unidos a través del Laboratorio Nacional de Tecnología Energética de la Oficina de Energía Fósil y Gestión del Carbono (FECM), tiene como objetivo ayudar al departamento a cumplir su objetivo de reducir significativamente la tasa de degradación de las celdas de combustible de óxido sólido entre 2035 y 2050.

Las ventajas de una pila de combustible eficiente y duradera

Las celdas de combustible y electrólisis hechas de materiales conocidos como óxidos metálicos sólidos son de interés por varias razones.

Una de ellas es que, en el modo de electrólisis, son muy eficientes para convertir la electricidad de una fuente renovable en un combustible almacenable como hidrógeno o metano. Posteriormente, este combustible puede usarse para generar electricidad cuando el sol no brilla o el viento no sopla.

«Identificar la fuente del problema y los medios para solucionarlo, problemas con los que hemos estado luchando durante todas estas décadas, es notable»

También hace viable la posibilidad de una fabricación sin la necesidad de utilizar metales costosos como el platino. Sin embargo, en la práctica su viabilidad comercial se ha visto comprometida en buena parte por su alto nivel de degradación.

Esto es así porque los átomos de metal que se filtran de las interconexiones utilizadas para construir bancos de celdas de combustible/electrólisis envenenan lentamente los dispositivos.

Avances notables

«Lo que pudimos demostrar es que no solo podemos revertir esa degradación, sino que en realidad mejoramos el rendimiento por encima del valor inicial al controlar la acidez de la interfaz aire-electrodo», dice Harry L. Tuller, profesor de Cerámica y Materiales Electrónicos en el Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales (DMSE) del MIT.

«Extender la vida útil de las celdas de combustible de óxido sólido ayuda a brindar la producción de hidrógeno de bajo coste y alta eficiencia, así como la generación de energía necesaria para un futuro de energía limpia», apunta Robert Schrecengost, director interino de la División de Hidrógeno con Gestión del Carbono de FECM.

«He estado trabajando en esta área toda mi vida profesional, y lo que he visto hasta ahora son principalmente mejoras incrementales», dice Tuller. «La gente normalmente está satisfecha con ver mejoras por factores de decenas de por ciento. Por eso, ver mejoras mucho mayores y, lo que es más importante, identificar la fuente del problema y los medios para solucionarlo, problemas con los que hemos estado luchando durante todas estas décadas, es notable», afirma.

James M. LeBeau, profesor asociado John Chipman de ciencia e ingeniería de materiales en el MIT, quien también participó en la investigación, señala que «este trabajo es importante porque podría superar algunas de las limitaciones que han impedido el uso generalizado de materiales sólidos en celdas de combustible de óxido. Además, el concepto básico se puede aplicar a muchos otros materiales utilizados para aplicaciones en el campo relacionado con la energía».

La clave está en modificar la acidez

Una celda de combustible/electrólisis tiene tres partes principales: dos electrodos (un cátodo y un ánodo) separados por un electrolito. Además, se compone de muchas celdas individuales que se apilan juntas y se conectan mediante interconexiones de metal de acero que incluyen el elemento cromado para evitar que el metal se oxide.

Pero «resulta que a las altas temperaturas a las que funcionan estas celdas, parte de ese cromo se evapora y migra a la interfaz entre el cátodo y el electrolito, envenenando la reacción de incorporación de oxígeno», dice Tuller. Después de cierto punto, la eficiencia de la celda se ha reducido a un punto en el que ya no merece la pena utilizarla.

El equipo, cuyo trabajo ha sido publicado en Energy & Environment Science, demostró que se pueden hacer ambas cosas controlando la acidez de la superficie del cátodo. Para lograr sus resultados, recubrieron el cátodo de la celda de electrólisis/combustible con óxido de litio, un compuesto que cambia la acidez relativa de la superficie de ácida a más básica.

«Después de agregar una pequeña cantidad de litio, pudimos recuperar el rendimiento inicial de una celda envenenada», dice Tuller. Cuando los ingenieros agregaron aún más litio, el rendimiento mejoró mucho más allá del valor inicial. «Vimos mejoras de tres a cuatro órdenes de magnitud en la tasa de reacción de reducción de oxígeno clave y atribuimos el cambio a poblar la superficie del electrodo con los electrones necesarios para impulsar la reacción de incorporación de oxígeno».

Al observar el material a nanoescala con microscopía electrónica de transmisión y espectroscopía de pérdida de energía de electrones de última generación, descubrieron que el óxido de litio disuelve efectivamente el cromo para formar un material vítreo que ya no sirve para degradar el rendimiento del cátodo.

El equipo de investigadores cree que este hallazgo será de aplicación en muchas tecnologías, además de las celdas de combustible. Por ejemplo, sensores, catalizadores y reactores basados en permeación de oxígeno.

Fuente: MITFotos: MIT