Pilas de combustible con bajo contenido en platino para vehículos de hidrógeno

Científicos de la Universidad Tecnológica Chalmers de Suecia han modelado pilas de combustible de bajo contenido en platino (Pt) para su uso en vehículos de pila de combustible de hidrógeno (FCV, por su acrónimo en inglés). Han basado su trabajo en hallazgos experimentales previos sobre catalizadores de Pt de baja carga para aproximarse a la aplicación automovilística del desarrollo.

“Se trata de un trabajo de modelización, y de la modelización a la aplicación real hay que tener en cuenta muchos retos, por ejemplo, si estos catalizadores u otros similares pueden producirse a gran escala”, declaró a pv magazine la autora correspondiente, Tatiana Santos Andrade.

En las pilas de combustible de hidrógeno, el Pt se utiliza como material catalizador en el cátodo al que se suministra oxígeno en el proceso de producción de corriente eléctrica. Los FCV comercializados, como el Toyota Mirai, utilizan 0,31 mg/cm2 de Pt en el cátodo, mientras que los investigadores experimentales han logrado rebajarlo hasta 0,01 mg/cm2 a nivel de célula.

“La cantidad de platino se considera el cuello de botella para la comercialización generalizada de las pilas de combustible”, explicó el grupo de investigación. “Se señala al platino como responsable de alrededor del 40-55% del costo total del combustible de la pila. Debido a la baja cinética de la reacción de reducción del oxígeno que tiene lugar en el cátodo, la carga actual de Pt en ese electrodo es la parte crítica del diseño, responsable de alrededor del 85% del platino total de la pila de combustible”.

En su análisis, el equipo amplió cuatro tipos de pilas de combustible de baja carga de la bibliografía: dos con 0,033-0,035 mg-Pt/cm2 y dos con 0,01 mg-Pt/ cm2. Los sistemas se denominaron E1 – 3,3 Pt, E2 -3,5 Pt, E3 – 1,0 Pt y E4 – 1,0 Pt, respectivamente. E1 y E2 se agruparon como catalizadores de Pt de baja carga, mientras que E3 y E4 eran catalizadores de Pt de carga ultrabaja.

“Los dos primeros son catalizadores formados por nanopartículas con núcleo de platino-cobalto en un sustrato catalítico sin platino con cargas de Pt ligeramente diferentes”, subrayaron los académicos. “Los dos últimos son partículas de carbono mesoporoso canalizado (CMC) con PtFe con una porosidad de canal ligeramente diferente”.

Basándose en las curvas de eficiencia energética de esas células, los investigadores pudieron escalarlas a nivel de pila y sistema y compararlas con el Toyota Mirai. El Mirai tiene 370 células con una superficie de 237 cm2, una potencia máxima de 114 kW y una carga catódica de Pt de 0,31 mg/cm2. Los investigadores compararon el sistema comercial con dos modelos: uno en el que el sistema de pilas de combustible con bajo contenido en Pt tiene el mismo tamaño de pila, de 370 células, y otro con la misma potencia máxima de 114 kW.

En el mismo escenario de tamaño de pila, el investigador comprobó que el E1 tenía una potencia máxima de 62-68 kW, el E2 de 70-77 kW, el E3 de 48-53 kW y el E4 de 45-49 kW. Sin embargo, aunque su potencia alcanzaba el 52% del sistema comercial en el mejor de los casos, a menor potencia los sistemas de pilas de combustible con catalizadores de Pt de baja carga presentaban un rendimiento superior.

“Cuando se establece una relación de potencia (producto del voltaje y la corriente), destaca la gran variación de la eficiencia a valores altos de potencia para las muestras E1-E4”, señalaron los científicos. “La caída más drástica en comparación con la pila comercial de FCV indica que estos materiales demostraron un rendimiento menos estable en diferentes rangos de potencia”.

En el segundo modelo, cuando el objetivo era la misma potencia, E1 necesitaba entre 623 y 677 células, E2 entre 552 y 600, E3 entre 795 y 864, y E4 entre 860 y 935. “Si sólo se tiene en cuenta la cantidad de Pt, incluso con el mayor número de celdas, las muestras seguirían representando una reducción de Pt del 81%, 82%, 93% y 92% en comparación con el FCV comercial para las muestras E1-E4, respectivamente. Puede reducir el costo de la pila en torno a un 27-45%”, subrayaron.

Tras estos resultados, modelaron el sistema en un FCV y lo simularon con el Procedimiento de Ensayo de Vehículos Ligeros Armonizado a Nivel Mundial (WLTP). El coche tenía una batería con un estado de carga (SOC) del 20%-95%, un depósito de hidrógeno de 4 kg y una estrategia de control que alternaba entre las pilas de combustible y la batería cuando era necesario.

Según sus resultados, en el caso del coche comercial y los E1-E4, la demanda de potencia de la pila de combustible es siempre inferior a 40 kW en la prueba WLTP. Por tanto, todos los modelos podrían ofrecer resultados competitivos en comparación con los 628 km de autonomía del coche de referencia.

Con el mismo tamaño de bastidor, el E1 tenía una autonomía de 646 km-651 km, el E2 de 641 km-646 km, el E3 de 632 km-638 km y el E4 de 617 km-623 km. Al optimizar la misma potencia máxima, el E1 tenía una autonomía de 662 km-665 km, el E2 de 654 km-656 km, el E3 de 632 km-638 km y el E4 de 646 km-647 km.

“En el desarrollo de catalizadores, los investigadores suelen centrarse en mejorar la potencia máxima, que es una métrica importante a tener en cuenta, mientras que se suele pasar por alto todo el perfil de eficiencia de la pila de combustible, por ejemplo, a potencias bajas y medias”, declaró Andrade. “Ese puede ser un factor relevante a la hora de hacer que la pila de combustible sea adecuada para aplicaciones en vehículos, ya que la pila de combustible suele estar sobredimensionada para un vehículo. Espero que este artículo sirva de puente entre la investigación en ciencia de materiales y la aplicación en vehículos”.

Sus hallazgos se presentan en el artículo “Low platinum fuel cell as an enabler for the hydrogen fuel cell vehicle” (Pila de combustible con bajo contenido de platino como facilitador del vehículo con pila de combustible de hidrógeno), publicado en el Journal of Power Sources.