Células de combustible más eficientes

Un equipo de investigadores del MIT y la Universidad Estatal de Pennsylvania han desarrollado un método para la producción de nuevos tipos de membranas que podrían mejorar las propiedades de baterías, acumuladores, pilas de combustible, la conversión de energía (paneles solares) y otras aplicaciones de almacenamiento energético. El desarrollo se basa en el montaje capa por capa (Layer by Layer – LbL) de los electrodos que forman una pila o célula de combustible y posibilita un incremento sustancial en la vida útil de ésta. Propiedades adicionales como la impermeabilidad al metano (combustible que se desea utilizar en la pila) enriquecen el valor de este desarrollo. Un paso más hacia una energía más limpia y eficaz.

Después de años de trabajar en el intento de lograr una nueva forma de membranas a través de un montaje único, capa por capa, el equipo ha desarrollado un material específicamente diseñado para las necesidades de las pilas de combustible avanzadas. Estos dispositivos pueden convertir el combustible en electricidad sin combustión, evitando así la emisión de contaminantes o gases de efecto invernadero. Este material ha sido sometido a pruebas de laboratorio para determinar sus propiedades reales, pruebas que han confirmado las predicciones y características prometedoras del desarrollo. Los resultados fueron recientemente publicados en la revista Chemistry of Materials.

Los electrolitos, utilizados tanto en las baterías como en las pilas de combustible, son materiales que contienen muchos iones (átomos o moléculas que tienen una carga eléctrica neta y definida), a través de los cuales se hace sencilla la circulación de corriente eléctrica. En ambos dispositivos (las baterías y las pilas de combustible), este material se encuentra entre dos electrodos: un electrodo positivo (cátodo) y otro negativo (ánodo). En una batería, estos son todos los materiales que intervienen (ánodo, cátodo y electrolito), pero en una celda de combustible encontramos más elementos constructivos. Hay canales que llevan generalmente hidrógeno o metanol en el ánodo, y oxígeno o aire en el cátodo. Esto les permite a las células de combustible mantener la producción de electricidad de forma indefinida, siempre y cuando exista un suministro de combustible y aire.

En una celda de combustible, las membranas que almacenan el electrolito cumplen una segunda función, que es la de mantener el combustible a ambos lados de la celda, desde la que migran los protones del combustible a través del electrolito hacia la otra parte. Los electrones, por su parte, son forzados a circular a través de la carga generando la corriente eléctrica útil, desde el ánodo hacia el cátodo, como vemos en la imagen superior. Este tipo de migración de protones contamina la célula y puede desembocar en un descenso significativo de su eficiencia. Una gran ventaja de las membranas producidas en este nuevo desarrollo del MIT es que son especialmente buenas en el bloqueo de la migración del combustible (en especial, el metanol). Las pilas de combustible de metanol se consideran una prometedora fuente de energía limpia ya que convierten eficientemente el combustible en electricidad sin combustión, por lo que no emiten contaminantes al aire. En contraste con las basadas en hidrógeno, que se utilizan en la mayoría de las células de combustible, el metanol es un líquido fácil de almacenar y transportar en tanques convencionales. ¿No conoces las pilas de combustible de hidrógeno? Aquí tienes una clara explicación:

Capa por capa
El método para lograr las nuevas membranas se sustenta en un sustrato (soporte) inicial, como una hoja de vidrio o metal, y se sumerge de manera controlada en un baño de solución que permite el depósito de una capa en la superficie. Luego, es trasladado a una segunda solución, donde se deposita una capa de un material diferente. A continuación, vuelve al primer baño y así sucesivamente. Los espesores de las capas pueden ser controlados a escala nanométrica y el vínculo entre las capas se sostiene de manera firme a causa de las fuerzas electrostáticas. Los investigadores afirman que este enfoque constructivo puede producir materiales que no se podían hacer con otros métodos actualmente disponibles. Las pruebas mostraron que cuando se alternan dos tipos de recubrimientos de polímeros con propiedades diferentes, la membrana resultante tiene propiedades intermedias entre los dos polímeros, incluyendo la facilidad con la que los iones pueden moverse a través de ella. Una ventaja potencial de este sistema es que podría producir electrolitos que se adhieran de manera muy firme a cada uno de los electrodos de la pila de combustible. Además, con el nuevo proceso, la membrana puede formarse directamente sobre el electrodo, permitiendo la creación de un recubrimiento muy controlado y uniforme.

Ninguna célula de combustible puede ser 100% eficaz para convertir la energía del combustible a electricidad, pero la idea es minimizar en lo posible las pérdidas de energía en el interior de la célula. "La mayoría de las pérdidas se producen en la unión (interface) entre los electrodos y el electrolito", dice Avni Argun, autor principal del nuevo documento e investigador del post-doctorado del MIT, quien trabaja en conjunto con Paula Hammond, profesora en Ingeniería Química Bayer. “Mediante la creación de interfaces que estén estrechamente unidas, la eficiencia y la fiabilidad de los sistemas pueden mejorarse”, dice. Como resultado de ello, "puede reducir el costo o aumentar el rendimiento, en comparación con las tecnologías tradicionales que se utilizan en la actualidad". Al mejorar la eficiencia del sistema, debería ser posible reducir la cantidad necesaria de platino en los electrodos, hecho que reduciría de manera significativa los costos actuales de las pilas de combustible.

Por el momento, el modelo constructivo logrado presenta características que lo harán muy útil en las celdas de combustible basadas en metanol, ya que incrementará drásticamente su vida útil al impedir la contaminación del electrolito debido a que supera las características de las membranas tradicionales utilizadas en estas aplicaciones. Los investigadores afirman que estas membranas tienen el potencial para superar el Nafion, material utilizado actualmente en dichas células, gracias a las mejoras en su impermeabilidad al metanol. Pero también son conscientes de que aún resta mucho camino por recorrer para mejorar la conductividad del producto. De este modo, podrá tener posibilidades reales de ser aplicado en la construcción de otros sistemas eléctricos basados en la utilización de electrolitos, como pueden ser otros tipos de baterías o células solares.