Investigadores coreanos diseñan un electrolizador AEM mucho más económico y eficiente para la producción de hidrógeno verde

Uno de los principales obstáculos de la generación de hidrógeno renovable o verde es el coste que implica su producción. La producción desde combustibles fósiles como el gas natural puede ser más económica, pero libera carbono y habría que usar además un método de captura (CCS) para evitar que contribuya al cambio climático por acumulación de CO₂.

El sistema más usado para la generación de hidrógeno verde es el electrolizador de membrana de intercambio de protones (PEM). Tiene como ventajas que genera hidrógeno de gran pureza -más que los electrolizadores alcalinos-, es estable y su tamaño es compacto. La pega gorda es que usa materiales preciosos -platino, rutenio, iridio…- como catalizadores de la reacción de ruptura del agua y titanio para las placas de separación. Vamos, que son caros.

Como alternativa tenemos los electrolizadores de membrana de intercambio de aniones (AEM). Tras aplicar electricidad y romper las moléculas de H₂O, dicha membrana deja pasar los iones OH^– hasta el ánodo, mientras que las moléculas de hidrógeno se concentran en el cátodo. Son mucho más económicos porque no necesitan metales preciosos, pero presentan el problema del rendimiento y la durabilidad -hasta 100 horas de operación sostenida-. Hasta ahora.

Mirando este esquema su funcionamiento se entiende mejor. Los compuestos de admisión son hidróxido de potasio (KOH) y/o agua (H₂O). En el ánodo (izquierda) se produce la separación del potasio y las moléculas de agua se dirigen al cátodo (derecha) para descomponerse en hidrógeno (H₂) e iones hidróxido (OH^–) al aplicarse tensión eléctrica. Estos últimos vuelven al ánodo y el ciclo continúa. Los productos de escape son hidróxido de potasio (KOH) y/o oxígeno puro (O₂). Las placas bipolares de separación son de hierro, no de titanio.

Bajo el paraguas del Instituto Surcoreano de Ciencia y Tecnología (KIST) se anunció un proyecto colaborativo entre el equipo del Centro para el Hidrógeno y Desarrollo de Pilas de Combustible, liderado por el Dr. So Young Lee, y el equipo del Departamento de Ingeniería Energética de la Universidad de Hanyang supervisado por el profesor Young Moo Lee. Los responsables del proyecto creen que su tecnología puede revolucionar la producción de hidrógeno verde.

Los problemas de rendimiento y durabilidad han sido solucionados, a la vez que se mantiene un coste hasta 3.000 veces inferior. Desarrollaron un material de intercambio aniónico basado ​​en PFAP, una membrana de electrolito y aglutinante de electrodos con elevada conductividad iónica y durabilidad en condiciones alcalinas al aumentar la superficie específica dentro de la estructura. Teniendo esto en cuenta, se desarrolló un conjunto de electrodos de membrana.

¿Resultado? La durabilidad se multiplicó por 10, más de 1.000 horas de operación sostenida, y el rendimiento de la célula aumentó a 7,68 A/cm² a 2 V. Eso significa seis veces más que la tecnología AEM conocida y un incremento del 20% respecto a electrolizadores PEM de uso comercial (6 A/cm²). Recordemos que esto se consigue con materiales más económicos y de mayor disponibilidad.

El rendimiento de 7,68 A/cm² se logra usando catalizadores basados en platino. Prescindiendo de ellos, el rendimiento es de 1,62 A/cm². En ambos casos se logró un funcionamiento estable a 60 ºC durante más de 1.000 horas a 0,5 A/cm².

No solo eso, el material desarrollado para la membrana tiene otras aplicaciones como pilas de combustible de hidrógeno o amoniaco, o tecnologías de captura de carbono. La reducción de los precios en el lado de la generación (electrolizadores) y de la conversión hidrógeno-electricidad (pilas de combustible) es clave para que eclosione definitivamente el hidrógeno renovable.

Más rendimiento, más durabilidad y un coste muy inferior puede cambiar mucho las matemáticas del hidrógeno verde. Sin embargo, la Agencia Internacional de la Energía Renovable (IRENA), en su informe de costes del hidrógeno verde de 2020, declaró que a escala de megavatios los metales preciosos suponen menos del 10% del coste de un electrolizador PEM. La diferencia se nota por tanto más en los electrolizadores PEM de menor tamaño.

No obstante, estos avances sientan las bases para una nueva generación de componentes del ecosistema del hidrógeno que aceleren su implantación en el mercado. Los interesados en la publicación científica asociada pueden dirigirse a la revista Energy & Environmental Science.