Evolución del contenido en Pt de los electrodos en pilas PEMFC

La creciente subida en el precio de petróleo que se está experimentando en los últimos meses se prevé que será duradera, por los conflictos internacionales en los países productores, por el previsible aumento en la demanda en los países en vías de desarrollo  y la escasez progresiva de los próximos años. Esta situación provoca que la industria del transporte se preocupe cada vez más por realizar un cambio estructural del parque automovilístico mundial buscando nuevas alternativas más sostenibles basadas en energías renovables.

[Autores: Ricardo Escudero Cid, Pilar Ocón – Departamento de Química Física Aplicada. Universidad Autónoma de Madrid]

Evolución en el último año del precio de barril de Brent en $ (Fuente: WFG)

Uno de los avances más esperados es el que se ha de realizar en las pilas de combustible de membrana polimérica (PEMFCs) para aumentar su competitividad en el mercado convirtiéndolas en una opción viable frente a los coches de gasolina y diesel convencionales. Los primeros avances que se llevaron a cabo desde los años 60 fueron en la membrana polimérica de intercambio protónica haciéndolas menos resistivas y, por lo tanto, aumentando el rendimiento de las pilas de combustible. Las reacciones que se llevan a cabo en los electrodos son las de oxidación de hidrógeno (HOR) y reducción de oxígeno (ORR) en ánodo y cátodo, respectivamente. La HOR es mucho más rápida que la ORR por lo que la investigación se basa en buscar buenos catalizadores para este último (Pt, Pd, Ag, Au…) pero el carácter ácido de las PEMFCs hace que los únicos catalizadores viables sean los basados en Pt, aunque el cátodo sigue siendo el componente menos eficiente de las PEMFCs.

Las condiciones standard sobre las que se mide la ORR en una PEMFC son a un voltaje de 0,9 V, con presiones de gases de 1 bar, humedad relativa del 100% y temperatura de 80º C. Los factores fundamentales para aumentar la eficiencia del Pt son, el hecho de sintetizarlo sobre nanopartículas de carbón (2-5 nm), aleándolo con otros materiales como el Co, Ni o Ti, mejorando el contacto entre el catalizador y el electrolito polimérico o depositando la capa de Pt sobre nanopartículas de Au o Pd. Estos avances provocaron que la cantidad de Pt disminuya desde los 28 mg cm^{-2 a cargas inferiores a 0,8 mg cm-2} entre los dos electrodos y siendo el objetivo marcado por el U.S. Department of Energy (DOE) de 0,1 mg cm^-2 por electrodo para 2015. Esta reducción en la carga de Pt en el ánodo supone una pérdida de eficiencia despreciable, pero en el caso del cátodo la menor carga de Pt hace que la eficiencia sea mucho menor.

Otros de los problemas relacionados con el Pt que se tienen que tener en cuenta son su disponibilidad y su precio, incentivos fundamentales del estudio de catalizadores con metales no nobles (NNMCs). Incluso cumpliendo los requisitos del DOE para el 2015 de 0,2 g kW^-1, en un escenario con todo el parque automovilístico anual con coches con tecnología PEMFC, con la misma fabricación del año 2009 (61,7 millones según la Organisation Internationale des Constructeurs Automobiles, OICA) y con una potencia media de 50 kW requeriría de 617 toneladas de Pt. Esta cantidad sería desmesurada si tenemos en cuenta que en 2010 la producción mundial de Pt fue sólo de 214 toneladas. La cantidad de Pt necesario para un coche PEMFC será de 10 g mientras que los de gasolina necesitan solamente 1 g y los diesel 5 g. En lo referente al precio, el aumento en la demanda de Pt y el estancamiento en su producción han disparado el valor en el mercado pasando de 600 a 1840 $/oz de 2003 hasta hoy y teniendo en cuenta la bajada de precios en el último año causada por la recesión económica. Pese a todo esto, no todo son malas noticias en cuanto al Pt, teniendo en cuenta que hay suficiente cantidad de Pt en la Tierra para poder construir hasta 3.000 millones de coches y que, a diferencia de lo que se pueda pensar, se puede recuperar más de un 95% del Pt de las PEMFC, convirtiendo a la flota de coches PEMFC en sostenible a nivel mundial.

La investigación a día de hoy se centra mayoritariamente en el estudio de NNMCs capaces de llevar a cabo la ORR y ayudar al abaratamiento del cátodo. El precio de los NNMCs es despreciable en comparación con los demás componentes del sistema por lo que la cantidad de catalizador que se use no es un factor limitante y en teoría podría utilizarse todo cuanto hiciera falta. El problema surge a la hora de tener en el cátodo una capa catalítica demasiado gruesa, lo cual provoca una pérdida de eficiencia debido a las complicaciones en el transporte de carga y masa del proceso. Teniendo en cuenta todos estos factores pueden estudiarse catalizadores que permitan disminuir la carga de Pt en el cátodo usando NNMCs y permitiendo llegar a los límites estipulados por el DOE.

El avance en la investigación está siendo muy fructífero mostrando muchas mejoras desde los primeros tiempos de estudio en PEMFC. Todas estas mejoras permitirán que los coches de PEMFC pronto sean una realidad, compitiendo con los coches convencionales de gasolina y diesel y sin el factor negativo del petróleo, tanto por su cada vez más elevado precio como por sus efectos sobre el medioambiente.

Más información

F. Jaouen, J. Herranz, M.Lefèvre. ACS Appl. Mater. Interfaces 8 (2009) 1623.

U.S. Department of Energy, Multi-Year Research, Development and Demonstration plan: Planned Program Activities for 2005-2015. http://www1.eere.energy.gov/hydrogenandfuelcells/mypp/