Una investigación realizada por el MIT (Instituto Tecnológico de Massachusetts) ha ideado una manera de aumentar la vida útil de las pilas de combustible de hidrógeno que se degradan durante el proceso de electrolisis. Su propuesta se basa en el aumento del pH de la superficie del cátodo con óxido de litio. Este resultado podría impulsar el trabajo en otras tecnologías siendo clave para aprovechar la energía solar y eólica "almacenándola" mediante electrolisis en forma de hidrógeno verde para luego, en el proceso inverso, generar electricidad para un vehículo eléctrico o para introducirla en la red.
En su trabajo explican el funcionamiento de las celdas de combustible de hidrógeno como si se tratase de una batería capaz de producir electricidad y calor, pero que no necesita recargarse, sino que se le suministre constantemente combustible (hidrógeno verde en este caso). Estas baterías, como todas las conocidas, consta de dos electrodos, uno negativo (o ánodo) y uno positivo (o cátodo) entre los que se intercala un electrolito. El hidrógeno alimenta al ánodo y el oxígeno del aire al cátodo.
La electrólisis es el proceso mediante el cual se obtiene el hidrógeno a partir del agua utilizando electricidad, que debe ser de origen renovable para que ese hidrógeno sea considerado verde. En el proceso de oxidación los aniones liberan electrones en el ánodo y los cationes los capturan en el cátodo en la reacción de reducción. Este proceso se lleva a cabo en unas celdas electroquímicas que se conocen como celdas electrolíticas, utilizando una corriente eléctrica para activar una reacción no espontánea, cuyo resultado es la separación del hidrógeno y el oxígeno.
Así, estas celdas en el modo de electrólisis utilizan la energía limpia del viento o del sol para generar un combustible almacenable como el hidrógeno. En la reacción inversa el combustible almacenado se usa para generar electricidad.
Para la fabricación de estas celdas se emplean óxidos metálicos sólidos porque en el modo electrolisis son muy eficientes para convertir la energía de una fuente limpia en un combustible almacenable como el hidrógeno que se puede usar en el modo de celda de combustible para generar electricidad cuando no hay viento o sol. También se pueden fabricar sin utilizar metales muy costosos como es el caso del platino.
Una celda de combustible/electrólisis se compone de muchas celdas individuales que se apilan juntas y se unen mediante interconexiones de acero que incluyen un elemento cromado para evitar que el metal se oxide. Sin embargo, su viabilidad comercial se ha visto obstaculizada porque se degradan con el tiempo. Los átomos de metal que se filtran de las interconexiones utilizadas para construir bancos de celdas de combustible/electrólisis envenenan lentamente los dispositivos.
Harry L. Tuller, profesor de cerámica y materiales electrónicos de RP Simmons en el Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales del MIT explica su solución a este problema. "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 lo que reduce paulatinamente la eficiencia de la celda hasta que ya no vale la pena operarla".
La manera de extender la vida útil de la celda de combustible/electrólisis es ralentizar este proceso o incluso invertirlo. El equipo del MIT demostró que se pueden hacer ambas cosas controlando la acidez de la superficie del cátodo. Para lograr este resultado, los investigadores recubrieron el cátodo de la celda de combustible/electrólisis 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", afirma Tuller.
Al agregar más litio, el rendimiento mejoró mucho más allá del valor inicial. Con la observación del material a nanoescala con un microscopio electrónico de transmisión y espectroscopía de pérdida de energía de electrones de última generación, "observamos mejoras de tres a cuatro órdenes de magnitud en la tasa de reacción de reducción de oxígeno y atribuimos el cambio a haber poblado la superficie del electrodo con los electrones necesarios para impulsar la reacción de incorporación de oxígeno". El equipo descubrió que el óxido de litio disuelve eficazmente el cromo para formar un material vítreo que ya no puede degradar el rendimiento del cátodo, explica James M. LeBeau, profesor del MIT.
La investigación fue publicada en Energy & Environmental Science, Se inició en el Departamento de Energía de EE.UU. a través del Laboratorio Nacional de Tecnología Energética de la Oficina de Energía Fósil y Gestión del Carbono (FECM) y debería ayudar al DOE a cumplir su objetivo de reducir significativamente la tasa de degradación de las celdas de combustible de óxido sólido para 2035-2050.
Según Robert Schrecengost, director interino de la División de Gestión de Hidrógeno con Carbono de FECM, el objetivo es "extender la vida útil de las celdas de combustible de óxido sólido ayuda a brindar la producción de hidrógeno de bajo costo y alta eficiencia y la generación de energía necesarias para un futuro de energía limpia".
