La transición hacia una economía sostenible es crucial en la lucha contra el cambio climático. En esta carrera hacia un futuro más limpio, las pilas de combustible a base de hidrógeno se presentan como una solución al problema energético mundial. Sin embargo, aún presentan algunos desafíos, como su elevado coste y durabilidad.

Grupos de investigación del Instituto IMDEA Energía (España), la Universidad de La Laguna (España), la Universidad de Tartu (Estonia) y el Instituto Charles Gerhard Montpellier (Francia) hemos combinado esfuerzos para encontrar una potencial solución. El proyecto C-MOF.Cell surge como una propuesta al desarrollo de pilas de combustible eficientes y asequibles para un futuro más sostenible.

Pilas que convierten el hidrógeno en electricidad

Las pilas de combustible de membrana de intercambio protónico o PEMFC, por sus siglas inglesas, han emergido como una solución prometedora para abordar los desafíos energéticos de la actualidad.

Estos sistemas electroquímicos, compuestos por un cátodo, un ánodo y una membrana electrolítica que permite el movimiento de iones a través del dispositivo, convierten el hidrógeno en electricidad con la emisión de agua como residuo, es decir, sin emitir contaminantes atmosféricos y utilizando fuentes renovables.

Esta tecnología presenta ventajas muy atractivas cuando se compara con otro tipo de dispositivos como las baterías o pilas alcalinas.

Las PEMFC son menos pesadas y más compactas, lo que las hace ideales para aplicaciones en dispositivos portátiles como los teléfonos inteligentes o el transporte. Además, son capaces de acumular más carga, cargarse más rápidamente y funcionar durante periodos más largos de tiempo mientras reciba una entrada constante de combustible (hidrógeno).

Por supuesto, la característica más destacable es su bajo impacto medioambiental, pues no emiten gases de efecto invernadero ni contaminantes.

Naves espaciales propulsadas por hidrógeno

Estos factores han llevado a muchos países a apostar por esta tecnología y usar el hidrógeno cómo vector energético para una movilidad sostenible. Por ejemplo, ciudades como Madrid ya han incorporado autobuses propulsados por hidrógeno en sus calles.

Actualmente, son uno de los principales candidatos para sustituir a la tecnología de pilas de combustible alcalinas.

Es tal el interés por este tipo de tecnología que desde los años 2000 se están realizando grandes esfuerzos para optimizar su implantación en expediciones aeroespaciales. Desde los vuelos espaciales Gemini llevados a cabo por la NASA, la tecnología PEMFC está evolucionando a pasos agigantados, desplazando el uso de pilas alcalinas en este área.

Sin embargo, se enfrenta aún a varios desafíos que limitan su implantación. Por un lado, es dependiente de metales preciosos muy escasos y costosos, como el platino. Por otro, es muy sensible a las condiciones de operación –variaciones en la temperatura, humedad o presión pueden afectar a la membrana electrolítica de la pila, modificando su conductividad–, lo que afecta su durabilidad a largo plazo y limita su viabilidad en comparación con las tecnologías basadas en combustibles fósiles.

Nuevos materiales avanzados multifuncionales

Dentro del marco del proyecto europeo C-MOF.Cell, cada uno de los grupos de investigación ha aportado su experiencia única y conocimientos acerca de ciertos materiales innovadores para abordar los desafíos que enfrentan estos dispositivos.

En la Unidad de Materiales Porosos Avanzados del Instituto IMDEA Energía desarrollamos la síntesis de una clase de materiales conocidos como polímeros de coordinación porosos o MOF, por sus siglas en inglés (Metal-Organic frameworks).

Los MOF que hemos desarrollado han mostrado el potencial de mejorar la conductividad protónica –es decir, facilitar el movimiento libre de los iones o transportadores de carga a través del dispositivo– y la estabilidad de las membranas, abordando así uno los principales problemas de las PEMFC.

Por su parte, la Universidad de Tartu y la Universidad de La Laguna se enfocan en sintetizar catalizadores libres de metales preciosos para reemplazar el platino en los electrodos de estas pilas, con el objetivo de mejorar la eficiencia y reducir costes de producción.

Además, el Instituto Charles Gerhard Montpellier realiza el ensamblado y testado del dispositivo final, junto con estudios de simulación para identificar los mejores materiales en esta aplicación.

Fruto de estos esfuerzos, se han publicado varios trabajos de investigación en revistas prestigiosas con resultados muy prometedores. Entre los avances conseguidos, cabe destacar un MOF basado en bismuto y otro MOF composite basado en zirconio y potasio que han mostrado valores de conductividad protónica competitivos, similares a electrolitos comerciales.

También se han conseguido preparar electrodos basados en metales de transición y materiales bidimensionales con una alta eficiencia sin usar el tan preciado platino.

En conjunto, la labor investigadora de estos grupos ha impulsado el desarrollo de una pila de combustible en la búsqueda de un avance significativo hacia la creación de PEMFC más eficientes y accesibles.

Un futuro más limpio y sostenible

En resumen, el futuro de las PEMFC es bastante prometedor, pero enfrenta varios desafíos importantes que deben abordarse para alcanzar su máximo potencial. Entre ellos figura la reducción de costes de producción, la mejora de la infraestructura de generación de hidrógeno actual, optimizar su durabilidad y eficiencia y escalar la tecnología para extender su implantación.

Por tanto, se espera que el proyecto C-MOF.Cell no solo contribuya al desarrollo de nuevas pilas de hidrógeno, sino que también cumpla con las exigencias y prioridades establecidas por la Unión Europea a través de iniciativas como Horizonte 2020, que promueven el desarrollo de tecnologías limpias y sostenibles.