Se logra fabricar pilas de combustible más eficientes gracias a un nuevo catalizador

En las últimas décadas, el cambio climático y sus consecuencias sobre la vida en nuestro planeta han dado lugar a un creciente interés científico por el desarrollo de energías alternativas. Y es que los combustibles fósiles que actualmente dominan nuestro mapa energético no sólo escasean, sino que, además, generan gran cantidad de emisiones contaminantes.

Dentro del campo de las energías renovables, la comunidad científica dedica hoy en día un gran esfuerzo investigador a la pila de combustible, capaz de crear energía eléctrica a partir de una reacción química entre un combustible y el oxígeno.

Para que las pilas de combustible lleguen a ser competitivas entre las energías alternativas, son necesarios avances en diversos campos; entre ellos, el desarrollo de nuevos catalizadores, es decir, sustancias que se encarguen de acelerar la reacción química necesaria para que se produzca la electricidad.

Es en este campo donde realiza su aportación la tesis doctoral que José E. Barranco ha presentado en la UPV/EHU: Desarrollo de nuevos materiales metálicos de naturaleza amorfa para su uso en celdas de combustible de metanol directo.

El metanol como alternativa

Actualmente, la mayoría de las investigaciones se centran en las pilas de hidrógeno. Su mayor ventaja es que no generan gases contaminantes, sino vapor de agua como único residuo. Sin embargo, el hidrógeno resulta muy caro, tanto de obtener como de distribuir por medio de los sistemas tradicionales de transporte terrestre.

Además, su densidad energética es menor que la del metanol, lo que significa que, para obtener la misma energía de un mismo depósito de combustible, harían falta presiones de hidrógeno muy elevadas (por encima de los 800 bar).

Por esta razón, el hidrógeno resulta peligroso, y más en vehículos que circulen a gran velocidad, ya que una pequeña fisura en el depósito tendría consecuencias fatales. Éstas y otras razones convierten al metanol (un tipo de alcohol derivado del gas metano) en un buen candidato para alimentar las pilas de combustible.

Catalizadores más eficientes y sostenibles

Para que una pila genere electricidad debe producirse una reacción química llamada electro-oxidación, y ésta, a su vez, requiere un catalizador que acelere el proceso. Ese catalizador se inserta en la membrana de la pila. En el caso del metanol, el acelerador básico es el platino, una sustancia escasa y cara.

Por esa razón, el objetivo de la tesis ha sido elaborar un catalizador compuesto por una aleación de metales donde el platino se redujera considerablemente. Su investigación parte de un problema fundamental: la electro-oxidación del metanol produce monóxido de carbono, una molécula que se adhiere al metal e inhibe su capacidad catalizadora, es decir, impide que el acelerador haga su trabajo, y la producción de energía se detiene.

Tras estudiar la composición de numerosos metales, Barranco ha fabricado aleaciones que permiten reducir la proporción de platino al 1%. Estas aleaciones, compuestas por elementos, como níquel, niobio, antimonio o rutenio, entre otros, tienen la particularidad de convertir las moléculas de monóxido de carbono (CO) en dióxido de carbono (CO2) de manera más eficaz. Y es que el segundo, por tratarse de un gas, ya no queda adherido al catalizador, lo que a largo plazo favorece el proceso catalítico.

Esto supone que la pila de combustible de metanol emitirá una pequeña cantidad de CO2, la cual, según el dr. Barranco, puede ser fácilmente tolerable por la naturaleza, ya que se integra en el ciclo de la fotosíntesis de las plantas. Según un estudio de la American Metanol Institute, se prevé que en el año 2020 habrá una flota de 40 millones de coches movidos por pilas de metanol, lo que significa que las emisiones de CO2 se verán reducidas en unos 104 millones de toneladas con respecto a las emisiones de las gasolinas.

Catalizadores en polvo

Una vez hallado el catalizador adecuado, el dr. Barranco ha tratado de incrementar su eficiencia. Las conclusiones de su tesis señalan que si la aleación de platino se configura en estructura amorfa, mejora su característica de conducción de electricidad y sufre menor corrosión (por lo que responde mejor al medio en el que trabaja).

Además, tiene una capacidad de acción del orden de 80-100 veces mayor que el platino de estructura cristalina. Los materiales amorfos son aquellos que presentan una estructura molecular desordenada y, en este caso, se obtienen a partir del enfriamiento repentino de una aleación de metales.

Por otro lado, para que el catalizador hecho a base de esa aleación de metales amorfos se integre en la membrana de la pila, el dr. Barranco ha optado por cambiar su forma. El resultado es un finísimo polvo que se introduce en un aerógrafo o spray para ‘pintar’ la membrana. No sólo eso: por tratarse de una sustancia en partículas, el catalizador aumenta su capacidad de acción entre 9 y 13 veces.
Teniendo en cuenta que el catalizador mejora la eficiencia de la pila en más de un 50%, este nuevo material supone un gran avance en la investigación de pilas de combustible. El trabajo se engloba dentro de la Investigación de Pilas de Combustible de Oxidación de Alcoholes que se lleva a cabo en el Laboratorio de Química Industrial e Ingeniería Electroquímica de la Escuela Universitaria Politécnica de Donostia-San Sebastián.