Un nuevo diseño de pila para electrolizadores PEM promete reducir los costes de producción

Un grupo de investigadores de Alemania ha propuesto sustituir las placas bipolares (BPP) de titanio (Ti) de los electrolizadores de agua con membrana de intercambio de protones (PEM) por placas basadas en acero inoxidable (ss) recubierto, en un esfuerzo por reducir los elevados costes de fabricación actuales. “Los electrolizadores PEM utilizan actualmente materiales costosos, como el titanio y los metales del grupo del platino (PGM), debido a las duras condiciones de oxidación dentro de las celdas”, destacaron los científicos, que señalaron que las BPP representan hasta el 60% de los costes de la pila.

Utilizaron placas con forma circular y un área activa de 86 cm2 proporcionadas por el especialista noruego en hidrógeno Nel Hydrogen y las recubrieron con acero inoxidable y niobio (Nb) mediante pulverización de plasma al vacío (VPS). “Antes de iniciar el procedimiento de pulverización, los sustratos se sometieron a un chorro de arena con polvo de dióxido de silicio (SiO2) para aumentar la rugosidad de la superficie, así como la adherencia de los polvos de recubrimiento, y se precalentaron a 250 C en la cámara de vacío”, explicaron. “Las capas de Nb se depositaron aplicando una potencia de 1,0 kW durante 15 min, de modo que se consiguió un grosor de capa de 1,4 μm, que se selló mediante el proceso de sellado capilar antes mencionado”.

La pila se ensambló en una configuración de cuatro celdas con distintos ánodos BPP y se hizo funcionar en un banco de pruebas que se utiliza para los electrolizadores PEM estándar. Durante las 14.000 horas que duró la prueba, las celdas con ss-BPP recubierto mostraron un rendimiento de alrededor de 1,9 V a 1 A cm-2, que los científicos describieron como similar al de una celda comercial de referencia. “El protocolo de prueba no incluía ningún periodo de parada previamente planificado, pero estos sucesos se produjeron a causa de los problemas habituales de las estaciones de prueba y los desafíos comunes que se encuentran cuando se operan los bancos de pruebas durante tanto tiempo”, especificaron.

El rendimiento de la placa de Nb/ss-BPP se comparó con el de una placa idéntica que integraba Ti y ambos revestimientos no mostraron signos de corrosión y fueron capaces de proteger completamente el sustrato durante el funcionamiento. Según los científicos, ambas placas se comportaron de forma comparable al material de referencia de Nel Hydrogen y su rendimiento alcanzó una eficiencia de la célula de casi el 78%, con una tasa de degradación de sólo el 1,2%. “Sin embargo, desde el punto de vista del coste, el recubrimiento de Nb ofrece una clara ventaja sobre el de Nb/Ti, ya que requiere dos pasos de procesamiento para aplicarlo y formar una capa de óxido gruesa y estable”, subrayaron.

Los científicos describieron el diseño de la pila en el artículo “Long-Term Operation of Nb-Coated Stainless Steel Bipolar Plates for Proton Exchange Membrane Water Electrolyzers“, publicado en Advanced Energy and Sustainability Research. “Los resultados obtenidos pueden marcar un punto de inflexión para la futura investigación en electrólisis, en la que los componentes de la pila basados en el acero se consideran el nuevo estándar, sentando las bases para la reducción masiva de costes en los electrolizadores PEM y, por tanto, un factor esencial para la producción de hidrógeno verde competitivo.”

El grupo de investigación está formado por académicos del Centro Aeroespacial Alemán (DLR), la Universidad de Ciencias Aplicadas de Esslingen, el centro de investigación Forschungszentrum Jülich GmbH y la propia Nel Hydrogen.