El estudio a escala atómica de las reacciones que tienen lugar en el proceso de generación de electricidad en la pila de combustible permiten mejorar sus cualidades y, en un futuro, ser utilizadas como sistemas de almacenaje junto a las energías renovables.
La energía solar y otras fuentes de energía renovable como la eólica pueden ayudar a combatir el calentamiento global, pero tienen un inconveniente importante. Su producción eléctrica es imprevisible al depender de la meteorología, algo que no le pasa al petróleo, al carbón o al gas natural. Los paneles solares y fotovoltaicos y los generadores eólicos solo producen electricidad cuando el sol brilla o el viento sopla, siempre que no lo haga con mucha fuerza. Lo ideal es que estas fuentes de energía alternativa se complementen con un sistema de almacenaje masivo, como pueden ser las baterías o las células de combustible reversibles.
Las pilas de combustible utilizan el oxígeno y el hidrógeno para generar electricidad. Si el proceso se realiza a la inversa se podrían utilizar para almacenar electricidad. El profesor asistente de ciencia de los materiales e ingeniería en Stanford, William Chueh, afirma que “se puede utilizar la electricidad de viento o la solar para dividir el agua en hidrógeno y oxígeno en una pila de combustible operando en sentido inverso. El hidrógeno se puede almacenar, y utilizarse más adelante en la pila de combustible para generar electricidad por la noche o cuando el viento no sopla.»
Teóricamente eso es posible pero las reacciones químicas del hidrógeno y el oxígeno no se han logrado controlar de forma precisa, o al menos no con el grado de precisión requerido para poder utilizar este sistema con almacenamiento de energía.
Chueh, en colaboración con investigadores del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley y los Laboratorios Nacionales Sandia, ha desarrollado un nuevo sistema para observar a escala atómica estas reacciones que permite obtener “instantáneas” del proceso, utilizando un acelerador de partículas conocido como synchrotron.
Las moléculas de oxígeno se introducen en el cátodo donde un catalizador da lugar a los iones cargados negativamente. Estos viajan hasta el ánodo en el que reaccionan con las moléculas de hidrógeno para formar el residuo principal de la reacción química: el agua pura. Durante la reacción los electrones viajan en sentido contrario, hacia el cátodo, pero mientras los iones son capaces de pasar a través de la membrana los electrones no pueden traspasarla y son obligados a utilizar un camino alternativo, un circuito eléctrico cuya electricidad puede ser aprovechada. Por esta razón son los electrones el componente crítico del funcionamiento. Es el flujo de los iones el que es más desconocido para la ciencia puesto que su entorno no es propicio para la observación debido a la presencia de catalizadores que operan a altas temperaturas. El óxido de cerio es particularmente eficaz como catalizador puesto que su temperatura de funcionamiento es de unos 600ºC, por debajo de otros catalizadores que son eficaces en el entorno de los 800ºC.
Esta diferencia de 200ºC es fundamental puesto que a mayor temperatura más rápidamente se degradan los componentes de la célula de combustible. Una mejor comprensión del óptimo funcionamiento del óxido de cerio permitiría la fabricación de mejores y más eficientes catalizadores. Este fue el objetivo de Chue y sus colaboradores. Aplicando rayos X de alto brillo para iluminar las rutas de los iones de oxígeno pudieron tomar esas instantáneas del funcionamiento del catalizador de óxido de cerio. Y, paradójicamente, sus defectos lo hacen muy eficiente. La falta de átomos de oxígeno, a escala atómica, “para un catalizador de pila de combustible es muy deseable”, dijo Chueh. ”Permiten una mayor reactividad y un transporte de iones más rápido, lo que se traduce en una velocidad de reacción acelerada. Un material catalítico pobre es aquel en el que hay una gran densidad de átomos, esa estructura apretada inhibe el flujo de iones”.
Por delante queda el estudio de esos “huecos” que permiten tan eficiente transferencia de iones y que son tan importantes para conocer lo que ocurre en los materiales catalíticos para mejorar el proceso. Las conclusiones iniciales de su estudio parecen corroborar la posibilidad de hacer más eficientes las células de combustible y poder utilizarlas como sistemas de almacenaje de la energía alternativa a escala comercial.
Fuente: electricvehiclesresearch.com
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Carlos Sánchez Criado
Publicista por la Universidad Complutense. Director comercial de publicaciones técnicas del sector de la energía durante doce años. Director de Energy News Events, S.L. desde 2012 difundiendo información en Energynews.es, movilidadelectrica.com e hidrogeno-verde.es. Y por supuesto, organizando eventos como VEM, la Feria del Vehículo Eléctrico de Madrid.
