Descarbonización,  HIDRÓGENO

El papel de los catalizadores en las pilas de combustible

Introducción

Ya hemos hablado en otras ocasiones de las pilas de combustible. Estos dispositivos electroquímicos combinan un combustible con el oxígeno del aire, para producir agua y electricidad; en ocasiones, aparece también algún otro residuo, en función del tipo de pila de combustible que se esté considerando y el combustible que se esté empleando.

Para simplificar, vamos a centrarnos en las pilas de combustible poliméricas, o pilas de combustible PEM. En estas pilas de combustible, se combinan hidrógeno y oxígeno, para producir agua y energía eléctrica. Estos dispositivos constan de un ánodo, un cátodo y un electrolito, situado entre ambos; el electrólito es una membrana polimérica, que permite el paso de protones, pero no el paso de electrones.

¿Cómo funcionan las pilas de combustible?

El funcionamiento de la pila de combustible es sencillo, pero se basa, fundamentalmente, en la presencia de catalizadores, que son los que facilitan las reacciones. Un catalizador, en términos químicos, es una sustancia que facilita y promueve una reacción, pero sin participar realmente en ella; es decir, sin reaccionar. En las pilas de combustible poliméricas, encontramos catalizadores tanto en el lado del ánodo como en el lado del cátodo.

De este modo, el hidrógeno, al entrar en su forma molecular (H2) por el ánodo de la pila de combustible, encuentra un catalizador, que promueve su división en iones positivos (protones) y electrones. Los primeros, los protones, atraviesan la membrana polimérica (el electrolito); los electrones, que no pueden atravesarla, seguirán un camino eléctrico externo para llegar al cátodo, pudiendo realizar un trabajo eléctrico (ésta es la corriente eléctrica que genera una pila de combustible).

Al otro lado del electrólito, en el cátodo, es donde el oxígeno (usualmente, el contenido en el aire) llega, y se encuentra con los iones positivos (protones) que han atravesado la membrana polimérica (el electrolito) y con los electrones que han seguido el camino eléctrico exterior. Pues bien, otro catalizador es el que promueve la formación de agua a partir del oxígeno, los electrones y los protones.

Los catalizadores

Hasta la fecha, los catalizadores preferidos para los electrodos de las pilas de combustible poliméricas, tanto para el lado del ánodo, como para el lado del cátodo, han sido los derivados del Platino. Esto es especialmente importante en el lado del cátodo, que tiende a degradarse con mayor facilidad, reduciendo así la vida útil de la pila de combustible.

Si bien pudiera pensarse que el uso de Platino en los catalizadores de las pilas de combustible poliméricas es la causa de su elevado precio, esto no es del todo cierto. Al principio, las pilas de combustible PEM, en los albores de su desarrollo industrial, llegaban a tener hasta 30 mg/cm2 de Platino; actualmente, gracias al desarrollo de la catálisis, se ha logrado una disminución del tamaño de las partículas de Platino necesarias y una mejor dispersión de las mismas, lo que ha conseguido reducir la carga de Platino hasta unos 0’2 mg/cm2 (150 veces menos). Considerando esta cifra, el coste de Platino que lleva una pila de combustible polimérica por cada kilovatio es, aproximadamente, de 10 €, lo que, realmente, es solo una pequeña porción de su coste. Con ello, realmente, el tema de buscarle alternativas al Platino no es tanto por el precio del mismo, sino porque su disponibilidad no está distribuida por todos los países del mundo, y se buscan alternativas más comunes, que no generen dependencia.

Con todo ello, durante los últimos años se han destinado numerosos esfuerzos a buscar alternativas, catalizadores basados en metales no preciosos, que, con la misma eficiencia que el Platino, reduzcan el precio de los materiales, y aumenten la disponibilidad de metales para catalizadores de pilas de combustible.

Entre los metales convencionales que se han probado con éxito en los últimos años, a la hora de desarrollar catalizadores que no contengan materiales preciosos, para pilas de combustible poliméricas, destacan el níquel, el hierro, el cobalto, el cromo, el cobre, el tungsteno, el selenio y el estaño. Estos metales no preciosos son empleados con frecuencia en catálisis, en otras aplicaciones de la industria química.

Conclusión

También existen líneas de investigación orientadas (como se apuntaba brevemente antes) al desarrollo de nuevas formas de soportar el catalizador (por ejemplo, aumentando la superficie de contacto con la reacción a la vez que se disminuye la masa de catalizador), tales como nanoestructuras (estructuras porosas a nivel microscópico, que permiten más efectividad por unidad de volumen sin incrementar la cantidad de catalizador).

Como puede verse, todo ello es un claro ejemplo de cómo la investigación básica es fundamental a la hora de industrializar la tecnología, y hacer viable su uso.