El Toyota FINE-S, una idea de vehículo eléctrico híbrido con células de combustible de hidrógeno mostrado en la Exposición Internacional Norteamericana de Automóviles en Enero de 2003. Copyright Toyota Motors. [más]

Los astronautas las han estado utilizando para proveerse de energía a bordo de las naves espaciales desde la década de los años 60. Pronto, tal vez, se conviertan en cotidianas en la Tierra, proporcionando energía a coches, camiones, ordenadores portátiles y teléfonos móviles.

Son las llamadas células de combustible.

Mediante combinación de hidrógeno y oxígeno, las células de combustible pueden producir suficiente energía eléctrica emitiendo como residuo únicamente agua pura. Son tan limpias que actualmente los astronautas beben el agua producida por las células de combustible del transbordador espacial.|

En años recientes el interés por comercializar esta tecnología respetuosa con el medio ambiente se ha intensificado. Pero hay problemas: No se puede 'repostar' hidrógeno en la mayoría de las estaciones de servicio. Y los coches basados en células de combustible y los ordenadores aún resultan relativamente caros. Estos obstáculos han relegado las células de combustible a un pequeño número de vehículos de prueba y a algunas aplicaciones especializadas, como el suministro de energía a bordo del transbordador espacial o sistemas auxiliares de energía para hospitales y aeropuertos.

Ahora una investigación auspiciada por la NASA está ayudando a superar algunos de estos obstáculos. Buscando la manera de construir células de combustible de 'óxido sólido' que operen a la mitad de la temperatura de los diseños convencionales -- 500 C en lugar de los abrasadores 1000 C -- los investigadores del Centro de Superconductividad y Materiales Avanzados (TcSAM) de Texas de la Universidad de Houston esperan desarrollar este tipo de células de combustible a la vez más baratas de fabricar y más fáciles de usar.

Menos es más

'Nuestro avance clave fue hacer el corazón de la célula de combustible -- la lámina de electrolito que controla el flujo de iones cargados eléctricamente -- como una fina lámina de solamente un micrón de espesor', dice Alex Ignatiev, director del TcSAM patrocinado por la NASA.

Funcionamiento de una Célula de Combustible de Óxido Sólido (SOFC) [más]

En contraste, las actuales células de combustible de óxido semisólido poseen capas de electrolito de 100 micrones o más de espesor (un micrón es una milésima parte de un milímetro). Ignatiev explica que 'Un espesor más delgado disminuye la resistencia interna a la corriente eléctrica, por lo que podemos obtener una salida de potencia comparable a temperaturas de operación mucho más bajas'.

Para fabricar esta lámina ultra-fina, Ignatiev y sus colegas del TcSAM no pueden simplemente aplastar un pedazo de material hasta alcanzar el espesor necesario. En lugar de ello, hacen crecer el electrolito átomo a átomo, depositando una capa de átomos de cada vez en un proceso llamado epitaxia. Las finas películas de las células de combustible del TcSAM tienen un espesor de alrededor de 1000 átomos.

Este prototipo de ordenador portátil de Casio puede operar durante más de 20 horas con una recarga de la célula de combustible de su sistema de energía, mostrado aquí fuera del ordenador. Copyright 2002 [Casio Inc]

Obtener la misma potencia pero a la mitad de temperatura tiene un efecto dominó sobre el ahorro en los costes. Por una parte, se pueden emplear materiales más baratos para construirlas, más que las caras cerámicas tolerantes a las altas temperaturas y los aceros de alta resistencia que se necesitan en las células de combustible que funcionan a 1000 grados. Y en los automóviles y aparatos de electrónica personal que podrían usar esas células de combustible también se puede renunciar al empleo de materiales exóticos y elaborados sistemas de disipación del calor, disminuyendo así los costes de fabricación. Todo esto inclina la balanza de la viabilidad económica en la dirección correcta.

El mantenimiento para las células de combustible como sucesoras de los motores de combustión interna está extendido. La mayoría de los fabricantes de automóviles están desarrollando afanosamente vehículos con estas células, y el Presidente Bush propuso recientemente invertir 1200 millones de dólares para ayudar a la comercialización de esta tecnología.

La industria de la electrónica portátil también está explorando las células de combustible en miniatura como sustitutas más potentes y duraderas que las baterías. Intel, por ejemplo, tiene una compañía llamada PolyFuel para el desarrollo de células de combustible para ordenadores portátiles.

¡Eija con qué repostar!

Las células de combustible de óxido sólido son uno de los seis tipos que están siendo desarrollados en la actualidad. Cada uno se distingue por un método diferente para combinar el combustible de hidrógeno con el oxígeno para producir electricidad. La industria del automóvil busca principalmente una membrana de extracción de protones (PEM) para las células de combustible de los coches y camiones del futuro, pero algunas compañías también están considerando las ventajas de la variedad de óxido sólido.

Las estaciones de repostaje de hidrógeno como esta en Vancouver, Canadá, aún son pocas. El vehículo recargando es un Ford FCV. Copyright Powertech Labs. [más]

La clave de entre todas esas ventajas es la posibilidad de funcionar con combustibles fácilmente disponibles, como metanol e incluso gasolina, que contienen hidrógeno enlazado a carbono y a veces a oxígeno. Los otros cinco tipos de células de combustible pueden también hacer esto, pero solamente con la ayuda de equipo adicional llamado 'reformador', que extrae hidrógeno puro de esos otros combustibles. Estos reformadores tienen un coste adicional, añaden volumen al motor, y disminuyen la potencia, disminuyendo la eficiencia total del motor a casi la mitad.

Las células de combustible de óxido sólido pueden consumir combustibles como metanol sin necesitad de reformadores.

La mayor parte del beneficio ambiental de las células de combustible se pierde cuando se emplean combustibles hidrocarbonados, porque la extracción del hidrógeno contenido en ellos produce CO2 y gases contaminantes que van a parar al escape. Pero ayuda a resolver el problema de 'la gallina y el huevo': ¿Quién va a comprar vehículos alimentados con hidrógeno hasta que la mayoría de las estaciones de servicio tengan surtidores de hidrógeno?. Pero ¿qué compañía va a financiar la instalación de surtidores de hidrógeno en miles de estaciones de servicio hasta que las calles estén llenas de vehículos dotados de células de combustible?. Las células de combustible de óxido sólido pueden ser el eslabón. Actualmente pueden funcionar con metanol o gasolina y más adelante cambiar a hidrógeno puro en cuanto esté disponible.

La capa núcleo de una célula de combustible de óxido sólido incluye un ánodo de níquel, que se puede recubrir de carbono cuando funciona a temperaturas demasiado altas. Las células de operación fría no tienen ese problema. [más]

La variedad de película fina que está siendo desarrollada por el TcSAM mejora la flexibilidad en cuanto al suministro de combustible. Ignatiev explica: 'Las células de combustible normales de óxido sólido pueden usar combustibles como metanol, pero se perjudican en cuanto el carbono cubre el electrodo de níquel de la célula de combustible', dice. 'Esto ocurre principalmente en las células que operan a 1000 grados de temperatura. La investigación muestra que no sucede -- al menos no en un grado apreciable -- a las temperaturas más bajas a las que funcionan nuestras células”.

Las células de combustible del TcSAM aún no han sido testadas con otros combustibles diferentes del hidrógeno puro, dice Ignatiev, pero los científicos planean pruebas con combustibles como el metanol durante la siguiente etapa de la investigación.

Aún queda mucho trabajo por hacer. Si todo va bien, en cambio, esas películas finas podrían preparar el camino hacia los vehículos de funcionamiento limpio y otras maravillas de la economía basada en el hidrógeno.