Pedro L. García Ybarra, responsable del Laboratorio de Física de Fluidos de la UNED, donde se han desarrollado y patentado métodos de fabricación de componentes de pilas de combustible de hidrógeno.
¿En qué consiste la tecnología que ha patentado el Laboratorio de Física de Fluidos de la Universidad Nacional de Educación a Distancia (UNED), del que usted es responsable, sobre la pila de combustible de hidrogeno?
Comparadas con las temperaturas típicas de combustión, las pilas de combustible poliméricas (pilas PEM) operan a temperaturas relativamente bajas, entre 40 y 80ºC las pilas PEM de baja temperatura y entre 160 y 180ºC las de alta temperatura. A estas temperaturas, los gases combustibles, hidrógeno y oxígeno, apenas forman espontáneamente radicales y su combustión resulta extremadamente lenta, imposible en la práctica. Para que tenga lugar la reacción química, que acaba en la formación de agua, la pila de combustible necesita la intervención de catalizadores, que son su talón de Aquiles. Sobre la superficie de los electrodos recubiertos con catalizadores de platino tiene lugar la catálisis heterogénea (ruptura de las moléculas con formación de radicales) de hidrógeno y oxígeno, en ánodo y cátodo respectivamente, que posibilita la reacción. Ambos electrodos están separados por una membrana polimérica que impide el paso directo de moléculas de hidrógeno y de oxígeno pero permite el paso de los protones desde la capa catalítica en el ánodo a la del cátodo, donde reaccionan con el oxígeno adsorbido formando agua. Nuestra primera patente radica precisamente en la optimización de la producción de estas capas catalíticas, basándose en una metodología que permite la formación de capas catalíticas muy porosas y homogéneas, incluso a cargas tan bajas como 0,01 mgPt/cm2 (miligramos de platino por centímetro cuadrado), con una nanoestructuración de carácter fractal que presenta una gran superficie activa y una distribución de poros en varias escalas, lo que favorece tanto la llegada de los gases reactantes a las zonas reactivas como la evacuación del agua formada. La metodología desarrollada se basa en el electrospray, que permite aerolizar las nanopartículas de catalizador, formando un aerosol cargado que evita la coagulación y facilita su dispersión y deposición sobre un sustrato de carga opuesta.
La otra patente está relacionada con la innovación en la estructura de la pila de combustible de hidrógeno ¿qué ventajas tiene y qué aplicaciones?
Cada elemento de una pila de combustible, denominado monocelda, genera una diferencia de potencial inferior a 1V. Para alcanzar voltajes más convenientes es necesario conectar en serie decenas o incluso centenas de estas monoceldas individuales. En la estructura típica, esto se lleva a cabo mediante placas conductoras, que llevan el nombre de placas bipolares porque conectan los electrodos de diferente polaridad de monoceldas contiguas. Por otra parte, en función de la potencia necesaria se diseña el área de los electrodos, que es directamente proporcional a la intensidad de corriente. Podemos imaginar la forma de la pila resultante como un prisma cuya longitud y sección vienen determinadas, respectivamente, por el voltaje y la intensidad de corriente requeridos. Sin embargo, en función de la geometría del espacio disponible, puede ser más ventajosa la estructura propuesta en nuestra patente, que consigue formas más esbeltas con las mismas prestaciones. En este caso, las monoceldas van conectadas en paralelo mediante placas monopolares de diseño sencillo que después se conectan entre sí según la estructura final deseada. En igualdad de condiciones con la configuración habitual, el resultado es una forma prismática más alargada, de sección inferior, lo que abarata costes y facilita la eliminación de fugas y cruces de gases.
¿Qué empresa o empresas están interesadas en estas patentes?
Las patentes están licenciadas por la Universidad Nacional de Educación a Distancia (UNED) a la empresa Jalvasub Engineering S.L., que es una microempresa nacional, ubicada en Las Rozas (Madrid), interesada en desarrollar procesos de industrialización basados en nuestras patentes, con el objetivo de fabricar y comercializar pilas de combustible. Además del acuerdo de licencia de las patentes, nuestra colaboración se ha canalizado a través de un proyecto “Retos-Colaboración” de la Agencia Estatal de Investigación.
En estos momentos, el contrato estrella de la empresa es el “Proyecto Medusa” del Ministerio de Defensa, en el que participa junto con la Fundación CIDAUT en la UTE Medusa, responsable de la fabricación de pilas de combustible para la propulsión de la nueva serie de submarinos S-80 de la Armada. Nuestro grupo de investigación ha suscrito un compromiso de integración de solvencia, poniendo a disposición de Jalvasub Engineering nuestros medios técnicos para la ejecución de algunas tareas del proyecto. Hay otros proyectos en evaluación ligados al uso de pilas de combustible en entornos industriales.
¿Donde exista un motor de combustión interna o de baterías se puede adaptar la pila de combustible de hidrógeno?
“El clásico binomio de la generación energética 'petróleo–motor de combustión' puede ser sustituido por el nuevo 'hidrógeno–pila de combustible', hibridando este con la generación renovable de hidrógeno y las propias baterías”
Así es, en general. Una pila de combustible PEM es un generador electroquímico que produce directamente electricidad a partir de los gases reactantes, hidrógeno y oxígeno, y por lo tanto puede reemplazar a un motor de combustión interna o a las baterías de un sistema de generación o propulsión. Y esto, además, con importantes ventajas de operación, derivadas de la absoluta ausencia de emisiones acústicas o nocivas (es silenciosa y solo emite agua) y de la facilidad y rapidez de recarga del combustible. El clásico binomio de la generación energética 'petróleo–motor de combustión' puede ser sustituido por el nuevo 'hidrógeno–pila de combustible', hibridando este con la generación renovable de hidrógeno y las propias baterías. No obstante, hay que señalar que en aplicaciones que requieren una alta densidad de potencia, como, por ejemplo, en algunas aplicaciones aeronáuticas, no es previsible que las pilas de combustible puedan competir con las turbinas y motores de propulsión.
¿Qué utilidades tendrá para la industria? ¿Cómo contribuye la pila de combustible de hidrógeno a la sostenibilidad medioambiental? ¿Es una de las energías alternativas limpias del futuro?
Dentro del panorama de una futura sociedad con una estructura energética basada en energías renovables, el papel de las pilas de combustible como generador de energía secundaria es crucial. Cuando se vaya alcanzando un masivo despliegue de energías renovables primarias (eólicas o solares), el intrínseco carácter fluctuante de estas puede llegar a comprometer severamente la estabilidad de la red de distribución eléctrica. Por ello, cada planta de generación debe contar con un mecanismo 'tampón' capaz de almacenar el exceso puntual de generación eléctrica, para su liberación posterior en picos de demanda, mediante un sistema de gestión inteligente que garantice una generación de potencia acorde con la demanda. Entre las distintas formas de almacenar esta energía que se están proponiendo y ensayando (baterías, energía potencial, volantes de inercia,…) la producción de hidrógeno mediante electrolizadores eficientes es una alternativa que resultaría muy ventajosa por su posibilidad de integración en una red de distribución general de hidrógeno, que llevaría este al punto donde fuera más necesaria su transformación, de nuevo en energía eléctrica, mediante una pila de combustible. Esta generación “in situ” puede resultar muy favorable para muchas empresas, evitándoles la instalación de un costoso tendido eléctrico o el ruido y las emisiones de motores de combustión.
¿Qué proyectos tienen en cartera?
Como grupo de investigación, una gran parte de nuestra actividad se centra en el aumento del conocimiento básico de los fenómenos de transporte y reacción electroquímica en los electrodos de las pilas de combustible. Estas actividades están cubiertas actualmente por un proyecto de I+D+i dentro del programa de “Generación de Conocimiento” de la Agencia Estatal de Investigación. Este conocimiento nos permite avanzar en la optimización de los procesos de formación de las capas catalíticas, que nos interesan para su utilización efectiva en la fabricación de pilas de combustible. Este aspecto aplicado de nuestra actividad ha estado cubierto en los últimos años por el proyecto “Retos-Colaboración” mencionado anteriormente, que finalizará este mismo año. Por último, la aplicación de nuestro conocimiento en pilas de combustible de mayores dimensiones y potencia está relacionada con el desarrollo de las pilas para el submarino S-80 en el “Proyecto Medusa”.
Para finalizar, ¿le gustaría realizar algún comentario más?
La investigación es una carrera de fondo que necesita un esfuerzo continuado de años para la formación de jóvenes investigadores, dotación de infraestructuras y fortalecimiento de equipos. Se requiere para ello una financiación más estable de la que disponemos en la actualidad en España y sería deseable habilitar fórmulas para conseguir una mayor cercanía entre los grupos de investigación y las empresas, de modo que éstas se beneficiaran del conocimiento adquirido por los grupos y que los investigadores conocieran las necesidades de las empresas, creándose sinergias entre la universidad, los centros de investigación y el entorno social-empresarial.
En el campo concreto de las energías renovables en nuestro país, la velocidad de despliegue de estas energías debería ser mucho más intensa y continuada, libre de vaivenes económicos y políticos. Solo así conseguiremos librarnos de una dependencia energética del carbono que todavía es muy mayoritaria. Desgraciadamente, en esto sí que estamos a niveles parecidos a los de nuestros vecinos europeos.
