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Nueva aleación para construir celdas de combustible de hidrógeno

New alloy to build hydrogen fuel cells
Made of titanium, aluminum and vanadium; could be used in transportation

LAURA ROMERO

Es de titanio, aluminio y vanadio; tendría aplicaciones en el transporte
Una aleación de titanio, aluminio y vanadio (90, seis y cuatro por ciento, respectivamente), denominada Ti-6AI-4V o TiAIV tiene propiedades potenciales para utilizarse en la construcción de celdas de combustible de hidrógeno para el transporte, revelan investigaciones de Alejandra López Suárez, del Instituto de Física.

Cámara de análisis del acelerador Pelletron (simulación).
Fotos: Francisco Cruz.

Este material, aseguró la científica, tiene múltiples ventajas sobre otros que se estudian con el mismo propósito, como las aleaciones titanio-fierro, titanio-cromo o el magnesio, aunque presentan inconvenientes como oxidación, fragilidad o el hecho de que necesitan estar al vacío para absorber el hidrógeno, lo que hace que a presión atmosférica su almacenamiento sea mucho menor.

El TiAlV, dado a conocer en publicaciones como el International Journal of Hydrogen Energy y el Journal of Alloys and Compounds, podría ser una buena opción para enfrentar el problema de la contaminación y disminuir el costo de los autos limpios, señaló.

El efecto invernadero y el calentamiento global originados por los hidrocarburos fósiles como el petróleo, lo mismo que la escasez de combustibles, hacen necesaria la búsqueda de fuentes alternas y limpias de energía, sobre todo para el transporte, planteó López Suárez.

Por ejemplo, en la Zona Metropolitana del Valle de México se emiten más de 35 millones de toneladas de dióxido de carbono y el transporte es el principal emisor, con 58 por ciento; según datos ofrecidos por la Dirección General de Gestión de la Calidad del Aire de la Secretaría del Medio Ambiente del Distrito Federal, la combustión de gasolina es la que genera la mayor cantidad del contaminante.

Para solventar esa situación se investigan nuevas tecnologías que permitan usar, de forma cotidiana, otros energéticos como el hidrógeno, dijo. Éste es un elemento abundante en la naturaleza, se encuentra en las afluentes y en el aire, y al quemarlo se crea un subproducto limpio: el agua. De ahí que se intente aprovecharlo.

No obstante, aclaró, está el reto del almacenamiento, que puede ser de tres formas: en gas, líquido o como hidruros metálicos. La primera es complicada, pues se requieren contenedores que resistan las presiones del gas comprimido. Por ejemplo, un contenedor de hidrógeno pesa unas 30 veces más que uno equivalente con gasolina, y 99 por ciento del peso se debe al depósito mismo.

La segunda precisa temperaturas criogénicas; es decir, bajas en extremo, del orden de menos 253 grados centígrados, que la vuelve volátil, poco rentable y peligrosa; sería necesario contar con un refrigerador en el vehículo, resaltó.

Por ello, en todo el mundo se avanza hacia el uso de hidruros metálicos por celda unitaria, que pueden almacenar hasta dos o tres veces más cantidad de átomos de hidrógeno que los del metal mismo, añadió la física y maestra en ciencias por la Facultad de Ciencias, con doctorado en Ciencias Físicas por el Instituto de Física y posdoctorado en el Instituto de Investigaciones en Materiales.

Elemento químico activo
Cualquier metal, en condiciones de temperatura y presión adecuadas, puede absorber hidrógeno porque éste es un elemento químico activo que reacciona fácilmente con materiales metálicos, pues presenta una gran movilidad al comportarse como impureza en estos sistemas, detalló López. Primero, el hidrógeno molecular llega al material y se adsorbe; es decir, se queda en la superficie.

Si la temperatura y la presión del sistema aumentan, el hidrógeno molecular se rompe, convirtiéndose en hidrógeno atómico. De ese modo, el metal empieza a absorberlo e inicia la difusión de éste en el material, explicó. El metal está formado por una red cristalina cuyos átomos están bien localizados y ordenados, como si fuera un juego de timbiriche tridimensional, pero en vez de puntos sobre el papel hay átomos metálicos que forman diferentes estructuras cristalinas que pueden ser cúbicas, hexagonales o de otros tipos.

El caso del TiAlV es interesante, pues es una aleación alfa+beta formada por dos estructuras cristalográficas diferentes, una cúbica y otra hexagonal, que la hace más fácilmente hidrogenable, pues la superficie de contacto con el hidrógeno aumenta.

Dentro de esta malla tridimensional, agregó, hay huecos llamados sitios intersticiales donde el hidrógeno atómico se acomoda y es almacenado. Una vez alojado ahí, apuntó, al aumentar la energía inicia un proceso de difusión por medio de saltos hacia el interior del material. Si la energía que se le proporciona al sistema sigue aumentando, los sitios intersticiales se saturan, ocasionando que el metal se transforme en una nueva estructura cristalina, llamada hidruro metálico.

Este proceso permite guardar grandes cantidades de hidrógeno y es seguro porque está a temperatura ambiente. Es como si fuera una pila recargable; de hecho, los hidruros metálicos son la base de las celdas de combustible de hidrógeno, que son dispositivos que producen electricidad a través de un combustible (hidrógeno) y un oxidante (oxígeno).

Una vez que el hidrógeno está dentro de la celda es necesario sacarlo para que sirva de combustible, es decir, generar una reacción inversa a la requerida para la formación del hidruro, para así convertir la energía química en eléctrica.

Para que un hidruro metálico sea una buena opción en la fabricación de una celda de combustible, precisó la experta universitaria, se requiere que el metal resista una serie de ciclos de hidrogenación, tal como lo hace una pila que se recarga. El principal inconveniente que presentan algunos metales es que tienden a fragilizarse, ya que el hidrógeno produce fracturas en el material al entrar en él; así que es importante observar esta característica, además de las de ser barato, abundante y resistente a la corrosión.

Tales son las ventajas del TiAlV, que hasta ahora sólo se había usado en la fabricación de prótesis ortopédicas y no para almacenar hidrógeno.

En el caso de ese material se pudo absorber el hidrógeno sólo variando la temperatura del sistema, sin necesidad de someter el material al vacío, lo cual quita una variable (la presión) del proceso de hidrogenación. Este factor es importante, ya que no resulta necesario el uso de bombas de vacío para lograr la absorción del gas, contrario a otros materiales cuya hidrogenación se presenta solamente a presiones bajas.

Aunque ya hay automóviles y prototipos que usan celdas de hidrógeno como combustible, los retos económicos y tecnológicos para emplear ese elemento a gran escala apenas empiezan; de ahí que continúe la investigación en el mundo para encontrar el material ideal que absorba y expulse hidrógeno de la manera más eficiente, concluyó Alejandra López.

Artículo publicado en Gaceta UNAM, Número 4088, 4 de agosto del 2008.

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