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Un revestimiento nanométrico mejora el rendimiento y la durabilidad de las celdas de hidrógeno de nueva generación

Un equipo de la Universidad Sungkyunkwan (SKKU), en Corea del Sur, ha desarrollado una tecnología para mejorar la eficiencia y la durabilidad de las celdas electroquímicas cerámicas de protones (PCEC), dispositivos que pueden producir electricidad a partir de hidrógeno o generar hidrógeno mediante electricidad. El avance, liderado por el profesor Wonyoung Lee, se centra en la interfaz entre el electrodo y el electrolito, un punto crítico que limita el rendimiento de estas celdas.

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Fotografía que ilustra la noticia: Un revestimiento nanométrico mejora el rendimiento y la durabilidad de las celdas de hidrógeno de nueva generación
(elperiodicodelaenergia.com)

El problema de la interfaz: cuando los materiales no se tocan del todo

El estudio aborda la resistencia que aparece en la zona de contacto entre los principales componentes de las PCEC: el electrolito, una estructura densa y lisa, y el electrodo, de superficie porosa. Las diferencias entre ambos materiales impiden que sus superficies entren en contacto completo, generando una resistencia adicional que limita el aprovechamiento de sus propiedades.

Para cuantificar este fenómeno, los investigadores fabricaron celdas experimentales con distintos grados de contacto entre electrodo y electrolito. El análisis demostró que la resistencia interfacial disminuye a medida que aumenta la superficie de contacto físico entre ambos componentes. Así, identificaron la proporción de superficie en contacto efectivo como un parámetro determinante para optimizar el funcionamiento de las celdas.

La solución: una capa nanométrica aplicada con deposición electrostática

Para trasladar este principio a dispositivos reales, el equipo utilizó la deposición por pulverización electrostática (ESD), una técnica que emplea fuerzas electrostáticas para distribuir pequeñas gotas de líquido sobre una superficie. Mediante este procedimiento, consiguieron aplicar una capa intermedia compacta de espesor nanométrico sobre el electrolito, con el objetivo de aumentar el área de contacto con el electrodo y reducir la resistencia asociada a la interfaz.

"Por muy avanzado que sea un nuevo material, no puede ofrecer todo su rendimiento si las interfaces entre sus componentes no están correctamente conectadas", señaló Lee. El investigador subrayó que el estudio permite definir cuantitativamente el comportamiento del contacto microscópico y mejorar tanto las prestaciones como la durabilidad de las celdas mediante un proceso de precisión susceptible de ampliarse a superficies mayores.

Resultados: mejoras en generación eléctrica, producción de hidrógeno y estabilidad térmica

Las celdas que incorporaron esta capa mostraron mejores resultados que las convencionales tanto en la generación de electricidad como en la producción de hidrógeno. También mantuvieron un funcionamiento estable bajo condiciones exigentes, incluidos cambios rápidos de temperatura, gracias a la fuerte adhesión entre el electrodo y el electrolito.

La mejora resulta relevante porque la resistencia en la interfaz puede limitar el rendimiento global del dispositivo, incluso cuando los materiales que lo componen presentan buenas propiedades. Optimizar el contacto permite reducir esta limitación y, al mismo tiempo, favorecer la estabilidad de la estructura durante su funcionamiento. Los investigadores también comprobaron que las celdas podían operar con metano y amoniaco, además de hidrógeno puro, manteniendo prestaciones y estabilidad adecuadas. Estos combustibles pueden ampliar las posibilidades de aplicación de la tecnología, aunque su utilización y su balance ambiental dependen de factores como su origen, las emisiones asociadas y las condiciones de operación.

Hacia la fabricación a mayor escala

Otro de los aspectos destacados del trabajo es que el proceso permitió fabricar capas uniformes sobre sustratos de gran superficie, lo que apunta a la posibilidad de trasladar la técnica más allá del laboratorio y constituye un elemento relevante para evaluar su futura aplicación industrial.

El equipo apunta a posibles aplicaciones en instalaciones de generación de energía limpia a gran escala, vehículos propulsados por hidrógeno y sistemas de almacenamiento energético. Sin embargo, la aplicación comercial de esta tecnología dependerá de su validación en condiciones reales de funcionamiento, de su durabilidad a largo plazo y de la viabilidad económica de su fabricación a escala industrial.