La solución delgada de afeitar hace que las celdas de combustible sean más baratas y más ecológicas
No, esta no es una bolsa de basura, sino una nueva tecnología que es absolutamente crucial en las celdas de combustible de hidrógeno. El investigador Patrick Fortin muestra el nuevo catalizador que está recubierto directamente con la nueva membrana ultra delgada. Crédito: Silje Grytli TVeten
Las celdas de combustible que funcionan con hidrógeno son eficientes y emiten vapor de agua en lugar de escape. Pero hasta ahora, la tecnología sigue siendo costosa y, por lo tanto, no es competitiva con la alternativa de motor eléctrico.
Los investigadores noruegos ahora han descubierto cómo pueden acelerar la competitividad reduciendo dos componentes críticos. Esto podría hacer que las celdas de combustible más baratas y más ecológicas.
La tecnología tiene un gran potencial para reducir las emisiones de gases de efecto invernadero en los sectores de transporte, especialmente en el transporte pesado, el sector marítimo y, en un marco de tiempo algo más largo, también en aviación.
La investigación fue publicada en el Journal of the Electrochemical Society.
Reduce la necesidad de materiales caros
Las celdas de combustible consisten en una membrana y un catalizador. Ambos son cruciales para el proceso de convertir el gas de hidrógeno en energía eléctrica y para el rendimiento general de las celdas de combustible. Las membranas están hechas de materiales que contienen flúor que son dañinos para el medio ambiente, mientras que el catalizador consiste en platino, que es un mineral raro y costoso.
La membrana y el catalizador representan hasta el 41% del costo total de las celdas de combustible. Es por eso que los investigadores de SINTEF decidieron ver cómo se podrían reducir estos dos componentes.
El resultado? Ahora ha surgido una celda de combustible de hidrógeno más barata y más amigable para el medio ambiente en el laboratorio. La solución es tan ligera y delgada que hace que una lámina A4 se sienta como cartón grueso.
Equilibrio de material óptimo
El catalizador consiste en innumerables partículas de platino, cada una de las cuales es como un reactor microscópico que convierte el hidrógeno en electricidad. Cuantos más reactores, más electricidad. Sin embargo, los materiales caros también aumentan los costos.
“Por lo tanto, era importante encontrar el equilibrio óptimo entre la cantidad de materiales utilizados y la cantidad de electricidad producida. En el proyecto de investigación, encontramos una manera de organizar los reactores para que proporcionaran suficiente energía para ejecutar la pila de combustible, al mismo tiempo que reducen drásticamente la cantidad de materiales requeridos”, dice Patrick Fortin, un investigador de SINTEF.
Explica que la investigación ha llevado a una reducción del 62.5% en el contenido de platino, en comparación con las celdas de combustible de última generación.
“Al reducir la cantidad de platino en la celda de combustible, no solo estamos ayudando a reducir los costos, sino que también estamos teniendo en cuenta los desafíos globales con respecto al suministro de importantes materias primas y sostenibilidad”, dice Fortin.
Platinum es uno de los minerales más caros y raros de la Tierra, y solo se extrae en partes del mundo fuera de Europa. Por lo tanto, la UE ha categorizado el platino como una materia prima crítica.
La solución reduce las emisiones tóxicas
Las membranas utilizadas en este tipo de celda de combustible contienen polímeros fluorados que pertenecen a un grupo más amplio, también conocido como sustancias pera y polifluoroalquilo (PFA). Estos se utilizan en una serie de productos que contienen flúor, incluyendo cera de esquí, gore-tex y espuma de lucha contra incendios.
La UE considera que estos materiales son un riesgo químico creciente, porque su producción, degradación y eliminación pueden conducir a la liberación de compuestos nocivos que pueden causar graves problemas de salud y ambientales.
Al adelgazar la membrana ya delgada en el 33%, los investigadores ahora han creado una membrana mucho más amigable con el medio ambiente que también es menos costosa.
De afeitar a fin
“Las membranas en las celdas de combustible de hoy tienen 15 μm (micrómetros) de espesor. Nuestro prototipo mide solo 10 μm. Para poner eso en perspectiva, una lámina A4 estándar tiene un grosor de 100 μm”, dice Fortin.
Durante el estudio, SINTEF descubrió que habían alcanzado el límite de cuán delgada podría ser una membrana antes de afectar el rendimiento. Los resultados mostraron que el rendimiento fue casi idéntico para las membranas de 15 μm y 10 μm. Este equilibrio, dice Fortin, tiene que ver con las propiedades de la membrana.
“La efectividad de las nuevas membranas se basa en la rapidez con la que los protones pueden moverse a través de la superficie de la membrana y hacia la capa de catalizador, llamada ‘resistencia interfacial”, y qué tan rápido pueden moverse a través de la membrana en sí, conocida como’ resistencia a volumen ‘”, dice Fortin.
“Durante las pruebas, notamos que la resistencia a granel se volvió insignificante por debajo de 15 μm y que el rendimiento fue determinado únicamente por la resistencia interfacial, que era la misma para ambas membranas”, dice.
Los investigadores concluyeron que pasar de afeitar a la afeitar a la delgado a la delgada no comprometía el rendimiento de la membrana, a pesar de que la cantidad de material se había reducido.
Los cálculos de los investigadores mostraron que los costos totales de la membrana en la celda de combustible de hidrógeno podrían reducirse hasta en un 20%, mientras que el contenido de los PFA nocivos podría reducirse en un 33%.
“Si las innovaciones se ponen en práctica, nuestra investigación contribuirá a hacer futuras tecnologías de energía limpia, como poderosas celdas de combustible PEM, más baratas y más sostenibles”, dice Fortin.
Más información: Yejung Choi et al, la influencia del grosor de la membrana y la carga de catalizador en el rendimiento de las celdas de combustible de membrana de intercambio de protones, Journal of the Electrochemical Society (2024). Doi: 10.1149/1945-7111/AD8267
Proporcionado por la Universidad de Ciencia y Tecnología de Noruega
Cita: la solución delgada de afeitar hace que las celdas de combustible sea más barata y más ecológica (2025, 29 de mayo) recuperada el 29 de mayo de 2025 de https://techxplore.com/news/2025-05-razor-thin-solution-fuel-cells.html
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