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FP7

CHIPCAT Resultado resumido

Project ID: 310191
Financiado con arreglo a: FP7-NMP
País: Chequia

Pilas de combustible de hidrógeno más eficientes y menos caras

Un equipo de científicos financiado con fondos europeos se propuso aumentar la rentabilidad de las pilas de combustible de membrana de intercambio de protones (PEMFC). Para ello, iniciaron una investigación que les llevó a descubrir los mecanismos que rigen la catálisis de un solo átomo y, así, diseñar una gama nueva de catalizadores de película delgada.
Pilas de combustible de hidrógeno más eficientes y menos caras
Las PEMFC se sirven de una membrana de polímero ácido con base acuosa como electrolito y de elementos de platino como electrodo. El combustible de hidrógeno se procesa en la superficie de un catalizador de platino en el ánodo donde se separan los electrones de los protones. Estos últimos atraviesan la membrana y alcanzan el cátodo de la pila.

En el cátodo, el electrodo compuesto por este metal de gran valor combina protones y electrones con oxígeno para producir agua, único residuo final del proceso. De hecho, es posible generar oxígeno puro o extraerlo en el electrodo directamente a partir del aire.

El proyecto CHIPCAT (Design of thin-film nanocatalysts for on-chip fuel cell technology), respaldado por la UE, se creó para dar con una alternativa viable al empleo de nanopartículas de platino. Este metal precioso aumenta el precio de las pilas de combustible de hidrógeno y supone hasta el cincuenta por ciento de los costes de fabricación.

Durante los cuatro años de duración del proyecto, sus investigadores estudiaron varias facetas de la tecnología de deposición física. Los procesos habituales de fabricación de electrodos a escala industrial constan de varios pasos en un entorno húmedo que impiden trabajar con dispositivos electrónicos basados en el silicio.

«Para aumentar la eficiencia del platino utilizado en las pilas de combustible se propuso el empleo de catalizadores de película delgada de óxidos de cerio dopados con platino (Pt-CeOx), para los que se había solicitado una patente antes de dar comienzo CHIPCAT», explicó el Dr. Daniel Mazur de la Universidad Carolina de Praga (República Checa) e investigador y secretario de dirección del proyecto.

Los nuevos nanocatalizadores de película delgada cuentan con átomos de platino, predominantemente en estado iónico, dispersados en una matriz de óxido de cerio reducible. Los granos de óxido tienen un diámetro de apenas unos pocos nanómetros para garantizar que la mayoría de los átomos de platino se depositan sobre su superficie y ejercen su función catalítica.

«Tuvimos que demostrar tanto a nuestro propio equipo como a otros que este compuesto funcionaba como se pretendía. Tras lograrlo hubo que descubrir los mecanismos fundamentales que rigen estos nanocatalizadores para perfeccionarlos y dar con aditivos que sacasen el máximo partido de sus características», subrayó el Dr. Mazur.

En concreto, «se llevó a cabo una gran cantidad de experimentos con materiales simplificados y múltiples cálculos de modelización sofisticada hasta lograr los objetivos del proyecto».

El Dr. Mazur también indicó que «los resultados publicados muestran que nuestros catalizadores son más duraderos que los convencionales debido a que los átomos de platino dispersados apenas presentan coalescencia y, por tanto, conservan su rendimiento original siempre y cuando el armazón —de material carbonoso— mantenga su forma».

Añadió además que «el empleo de microscopía electrónica de transmisión de gran resolución permitió contemplar los átomos de platino incrustados en granos de cerio. La comunidad científica solicitaba esta prueba desde hace tiempo debido a que no acabada de convencerse de la naturaleza de "dispersión atómica" de nuestro catalizador».

También se dedicó tiempo a la construcción de una pila de combustible en miniatura para su incorporación en un dispositivo de circuitos integrados. Su diseño consistió en un sistema en un chip en el que el hidrógeno fluye a través de canales microfluídicos grabados en una placa de circuitos de silicio.

No obstante, «la diferencia en la geometría con respecto a la estructura de sándwich de las PEMFC convencionales implica que solo los procesos en los canales grabados mejoran el rendimiento de la micropila de combustible. Esto supone una limitación al rendimiento y a la cantidad de energía que es posible obtener», admitió el Dr. Mazur.

Se propusieron varias estrategias para superar este gran obstáculo, entre ellas la deposición del catalizador sobre la membrana en lugar de en las paredes de las hendiduras.

Los descubrimientos de CHIPCAT se difundieron mediante más de sesenta artículos publicados en revistas de alto impacto sometidas a arbitraje científico como Nature Communications y Nature Materials. En estas publicaciones se documentan los conocimientos exhaustivos generados acerca de los procesos que tienen lugar en los materiales estudiados y que resultaron fundamentales para lograr los objetivos del proyecto.

También se dieron los primeros pasos hacia la comercialización de la nueva tecnología de catalizadores de capa delgada. «La Universidad Carolina de Praga, coordinadora del proyecto, creó en asociación con el Grupo Jablotron una empresa por escisión dirigida por el profesor Vladimír Matolín, titular de las patentes mencionadas», afirmó el Dr. Mazur.

La empresa LEANCAT s.r.o. ya comercializa nanocatalizadores atómicos. Al mismo tiempo, fabrica y vende sistemas de ensayo de pilas de combustible desarrollados en la Universidad Carolina de Praga durante el proyecto CHIPCAT.

Palabras clave

Hidrógeno, pilas de combustible de membrana de intercambio de protones, PEMFC, catálisis de un solo átomo, platino, CHIPCAT
Número de registro: 190902 / Última actualización el: 2017-01-18
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