- La nueva pila de combustible PEM tiene una potencia cuatro veces mayor que los diseños tradicionales.
- Una nueva interfaz de material facilita una transmisión de protones más eficiente, resolviendo desafíos tradicionales.
- La tecnología es significativa para sistemas aeroespaciales, alineándose con las demandas de energía.
- La industria del hidrógeno en China se está expandiendo, pero aún enfrenta desafíos de costo-eficiencia.
Un grupo de científicos chinos ha desarrollado un nuevo tipo de pila de combustible de membrana de intercambio de protones (PEM) cuya potencia de salida es cuatro veces mayor que la de los diseños tradicionales. Este avance podría mejorar la viabilidad de los sistemas de energía de hidrógeno en aplicaciones automotrices y aeroespaciales. La tecnología aborda uno de los principales desafíos de las pilas de combustible de hidrógeno: la velocidad a la que los protones atraviesan la capa catalítica responsable de la generación de energía. Los investigadores han diseñado una nueva interfaz de material para facilitar una transmisión de protones más eficiente dentro de la pila. Li Jie, profesor asistente de la Universidad de Tecnología de Beijing, afirmó que esta nueva tecnología permite que "la pila de potencia de los vehículos de pila de combustible pueda ser más pequeña, más ligera, y que el vehículo pueda obtener una mayor potencia continua y un mayor rango de conducción".
Las pilas de combustible PEM de vía rápida generalmente operan en un rango de temperatura de 60 a 80 grados Celsius y convierten aproximadamente entre el 50% y el 60% de la energía almacenada en el hidrógeno en electricidad. Dentro de la pila, las moléculas de hidrógeno liberan electrones y protones en el ánodo. Los protones atraviesan la membrana de electrolito, mientras que los electrones fluyen a través de un circuito externo para generar electricidad. En el cátodo, los protones y los electrones se combinan con oxígeno para formar agua. La capa catalítica ha presentado desafíos durante mucho tiempo. Materiales como Nafion pueden rodear el catalizador a escala nanométrica, impidiendo la rápida transmisión de protones hacia los sitios de reacción.
Una nueva interfaz de material mejora la transmisión de protones
El equipo de la Universidad de Tecnología de Beijing ha desarrollado una interfaz de ácido de Brønsted-base de Lewis que proporciona sitios adicionales de transferencia de protones. Los resultados experimentales muestran que la difusión de protones aumentó diez veces, y la conductividad de protones aumentó 6.5 veces. La energía de activación se redujo a más de la mitad.
Cuatro veces la potencia En condiciones de operación estándar, esta nueva pila de combustible alcanza una potencia de 0.75 vatios por centímetro cuadrado a 0.7 voltios, aproximadamente cuatro veces la de los diseños tradicionales. El sistema muestra una potencia de 6.9 kilovatios por gramo de platino, un indicador importante debido al alto costo del platino como catalizador en las pilas de combustible. Después de 30,000 ciclos de prueba de presión acelerada, el nuevo sistema retuvo el 63% de su potencia máxima inicial, mientras que en las mismas condiciones, los sistemas tradicionales solo retuvieron el 30%. Los investigadores señalan que este material compuesto puede producirse a escala real.
"En el laboratorio, actualmente pueden producir alrededor de 100 gramos en tres días, lo suficiente para soportar 10 pilas de 100 kilovatios." Dijo Li Jie.
Aplicaciones de la tecnología en la industria aeroespacial
Más allá de las posibilidades de transporte terrestre Esta tecnología podría tener ventajas en aplicaciones donde el peso, las limitaciones de espacio y la densidad de potencia son consideraciones críticas. Los investigadores enfatizan que es significativa para los sistemas aeroespaciales que utilizan oxígeno líquido, ya que la transmisión eficiente de protones puede afectar significativamente el rendimiento general de la pila de combustible. "Nuestra tecnología resuelve el problema de cómo generar electricidad con mayor eficiencia y mayor densidad de potencia en un volumen de pila más pequeño. Esto se alinea con las necesidades de los sistemas de energía aeroespacial." Dijo Li Jie. Este avance coincide con la expansión de la industria del hidrógeno en China. Para finales de 2025, la capacidad de producción de hidrógeno de China superará los 51 millones de toneladas anuales.
China también posee el 53% de los proyectos de hidrógeno renovable generados por electrólisis de agua.
Escalar sigue siendo el próximo desafío Para finales de 2025, el número de vehículos de pila de combustible en China será de aproximadamente 32,000. En marzo de 2026, tres departamentos del gobierno central establecieron el objetivo de alcanzar 100,000 vehículos de pila de combustible para 2030, y reducir el precio del hidrógeno a RMB¥25 (aproximadamente HK$28) por kilogramo. Esta nueva tecnología aún debe demostrar que puede producirse a escala industrial de manera rentable, manteniendo la seguridad y la fiabilidad a largo plazo. "Los vehículos de pila de combustible no necesitan imitar a los vehículos eléctricos de batería."
Los vehículos eléctricos de batería son adecuados para viajes cortos, mientras que las pilas de combustible son adecuadas para camiones pesados, transporte de larga distancia y situaciones que requieren un repostaje rápido y una larga autonomía." Dijo Li Jie. "A continuación, el equipo construirá y probará pilas de combustible de alto rendimiento para diferentes escenarios. También ampliaremos los materiales y tecnologías relacionados y los convertiremos en productos reales." Los resultados de la investigación del equipo se han publicado en la revista Science.
Proyecto Especificaciones Potencia de salida 0.75 vatios por centímetro cuadrado Potencia por gramo de platino 6.9 kilovatios Mejora en la difusión de protones Diez veces Mejora en la conductividad de protones 6.5 veces Tasa de retención de la potencia máxima inicial 63%
El impacto potencial de la nueva pila de combustible de hidrógeno
El avance en esta tecnología de pila de combustible de hidrógeno muestra su potencial para mejorar la potencia y la eficiencia, especialmente en los sectores automotriz y aeroespacial. Con la rápida expansión de la industria del hidrógeno en China, la aplicación exitosa de esta tecnología ayudará a impulsar la adopción de vehículos de pila de combustible y podría cambiar la forma en que se utiliza la energía en el transporte pesado. Sin embargo, la producción a escala industrial y el mantenimiento de la rentabilidad siguen siendo desafíos clave para el desarrollo futuro.