Célula de combustible de amoniaco

El hidrógeno resulta muy prometedor como fuente de energía limpia en células de combustible y otros dispositivos. Por desgracia, es difícil de almacenar. Teniendo en cuenta que el amoniaco, que contiene hidrógeno, es muchísimo más fácil de almacenar que el hidrógeno puro, últimamente se viene trabajando bastante en idear formas de aprovechar energéticamente al amoniaco. Unos científicos han dado ahora un paso clave al respecto.

Estos científicos han desarrollado una tecnología de células o celdas de combustible que utiliza directamente amoníaco como combustible, logrando un rendimiento y una estabilidad magníficos. Todo apunta a que este logro será una tecnología clave que acelerará la implantación mundial de la economía del hidrógeno y la generación de energía eléctrica sin emisiones de carbono a la atmósfera.

Este equipo lo integran, entre otros, Dongyeon Kim, Kang Taek Lee y Joongmyeon Bae, del Instituto de Ciencia y Tecnología Avanzados de Corea del Sur (KAIST).

El avance logrado por este equipo tiene como base principal una nueva tecnología de catálisis que mejora drásticamente el rendimiento y la durabilidad de las celdas de combustible cerámicas protónicas basadas en amoníaco (células de combustible de alta eficiencia y nueva generación que generan electricidad transportando iones de hidrógeno (protones)).

El amoníaco está atrayendo mucha atención como portador de hidrógeno debido a la facilidad de su almacenamiento y transporte en estado líquido. También se considera un combustible limpio (sin emisiones de carbono), ya que se compone únicamente de nitrógeno e hidrógeno, produciendo prácticamente nada de dióxido de carbono durante la generación de energía eléctrica. Sin embargo, dentro de las celdas de combustible, el amoníaco tradicionalmente ha causado problemas al dañar los materiales a base de níquel y ralentizar las velocidades de reacción, lo que conlleva una degradación del rendimiento y una reducción de la vida útil de la célula de combustible.

Para resolver este problema, el equipo de investigación diseñó una nueva estructura catalítica que combina un catalizador de óxido de alta entropía (que mejora la estabilidad y el rendimiento del material mediante la mezcla de múltiples elementos), con nanopartículas metálicas que se forman espontáneamente en la superficie durante el funcionamiento.

Componentes principales de la nueva célula de combustible que genera electricidad a partir de amoniaco. De izquierda a derecha: suministro de amoniaco, capa catalizadora de alta entropía, ánodo, electrolito, cátodo, oxígeno y agua como productos principales de desecho. Arriba: generación de electricidad mediante el proceso. (Imagen: KAIST)

En los experimentos, se comprobó que este catalizador no solo resiste el colapso estructural incluso en un entorno constante de amoniaco, sino que también promueve eficazmente la reacción de descomposición del amoniaco en hidrógeno.

El equipo de investigación constató que la estructura de óxido de alta entropía reduce la barrera energética necesaria para la descomposición del amoníaco y promueve la formación de partículas metálicas.

En particular, las nanopartículas de aleación metálica que se forman espontáneamente en la superficie del catalizador han mostrado una actividad catalítica mucho mayor que los catalizadores de un solo metal. Una celda de combustible que utiliza este catalizador registró una densidad de potencia máxima de 2,04 W por unidad de área (1 cm²) a 700 grados centígrados. Esto significa que se puede generar alta potencia en un área del tamaño de una uña, lo que representa un rendimiento de importancia mundial en el campo de las celdas de combustible cerámicas protónicas basadas en amoníaco.

Además, la celda funcionó de forma estable durante más de 255 horas, incluso en condiciones extremas con una temperatura de 600 grados centígrados, lo que mejora significativamente el problema de la degradación del rendimiento (fenómeno en el que el rendimiento disminuye con el paso del tiempo) que se observa en los catalizadores existentes.

Dongyeon Kim y sus colegas exponen los detalles técnicos de su nueva célula de combustible de amoniaco en la revista académica Nano-Micro Letters, bajo el título “Entropy-Modulated Oxide–Metal Catalyst Architectures for Direct Ammonia Protonic Ceramic Fuel Cells”. (Fuente: NCYT de Amazings)