El punto clave es sencillo: la pérdida de rendimiento rara vez es un único evento de fallo. Es el resultado de una acumulación de pequeños cambios interrelacionados —químicos, mecánicos y de transporte— que, con el tiempo, elevan el voltaje, reducen la eficiencia, afectan a la pureza del gas y hacen inevitable el mantenimiento. Por eso la monitorización no es un lujo académico: es el camino más corto para comprender qué mecanismo domina, dónde ocurre y cómo detenerlo.

Por eso, la pregunta más potente en I+D en hidrógeno no debería ser “¿hasta qué densidad de corriente podemos llegar?”, sino más bien: “¿qué ocurre después de 1.000… 10.000… 30.000 horas, y cómo podemos detectarlo a tiempo para actuar?”

Electrólisis alcalina y de intercambio aniónico: la promesa de coste con factura en durabilidad

En CIC energiGUNE ponemos un fuerte énfasis en la electrólisis alcalina del agua (AWE) y en la electrólisis con membrana de intercambio aniónico (AEMEL), porque estas plataformas ofrecen una vía de coste atractiva: catalizadores no nobles, menor dependencia de materias primas críticas y arquitecturas de pila potencialmente más simples.

Pero la ventaja en coste solo se materializa si la durabilidad acompaña.

La electrólisis AEM ocupa una posición intermedia interesante: busca combinar la compacidad y la operación a presión diferencial propias de las MEA tipo PEM con la flexibilidad catalítica de la química alcalina. El reto es que los sistemas AEM concentran gran parte de la complejidad en la capa catalítica y el ionómero. Este debe unir las partículas catalíticas, proporcionar caminos conductores de OH⁻ y resistir condiciones fuertemente alcalinas y oxidantes, especialmente cerca del ánodo. La literatura reciente señala cada vez con mayor claridad que el ionómero en la capa catalítica puede ser el componente limitante, más allá de la propia membrana.

En la electrólisis alcalina clásica, el separador o diafragma y el entorno bifásico son determinantes. Aunque se considera una tecnología madura, la AWE moderna está evolucionando hacia diseños zero-gap o narrow-gap, mayores densidades de corriente y separadores más delgados, lo que aumenta la exigencia en extracción controlada de gas, gestión del crossover y robustez mecánica.

¿Qué es lo que realmente se degrada?

1. La barrera conductora de iones (membrana, diafragma, separador)

Su función es permitir el paso de iones manteniendo separados los gases. En la práctica, también debe soportar gradientes de presión, variaciones de temperatura, ataque químico, ciclos de hinchamiento/contracción y exposición a impurezas.

En sistemas alcalinos y AEM aparece de forma recurrente un compromiso:

• Más delgado = menores pérdidas óhmicas, pero mayor vulnerabilidad a pinholes, fluencia mecánica y riesgo de crossover.
• Poros más pequeños / mayor tortuosidad = menor crossover, pero mayor resistencia y mayor sensibilidad a la gestión de humectación y burbujas.

La ingeniería del separador no es pasiva: es una palanca central de diseño y un origen frecuente de fallo.

2. La capa catalizadora y sus interfaces (donde nace el rendimiento y donde puede desaparecer silenciosamente)

En electrólisis AEM, la durabilidad suele estar determinada dentro de la propia capa catalítica: catalizador, ionómero, estructura de poro y capas de transporte. Aunque el catalizador sea estable, el sistema puede degradarse si el ionómero pierde conductividad, se desprende de la superficie del catalizador o se fragmenta químicamente bajo estrés oxidativo.

En PEM, la historia es diferente pero igualmente reveladora: los ánodos basados en iridio siguen siendo referencia, pero estudios operando muestran que los catalizadores se reestructuran durante la evolución de oxígeno, formando óxidos desordenados que evolucionan con el potencial y la corriente. Esto es relevante porque ilustra un principio universal: el estado activo no suele coincidir con el estado tal como se fabrica, y la degradación puede comenzar como una activación normal que, con el tiempo, deriva en un comportamiento inestable.

3. Transporte en dos fases (las burbujas no son solo una molestia, sino que también contribuyen a la degradación)

La evolución de gas genera burbujas en electrodos porosos, superficies catalíticas, canales y pequeños espacios. Una buena gestión de burbujas mejora la eficiencia; una mala gestión provoca secado local, inundación, hotspots de corriente y envejecimiento desigual.

La conclusión que se desprende de múltiples estudios es clara: la física de las burbujas es física de vida útil. El flujo bifásico determina resistencias locales, concentraciones locales y tensiones mecánicas locales, y esas condiciones locales son las que, en última instancia, deciden qué componente falla primero.

Por qué la monitorización cambia las reglas del juego: del análisis posmortem a la prevención

Los estudios tradicionales de durabilidad suelen seguir un patrón: operar durante cientos de horas, observar un aumento de voltaje, desmontar la celda e intentar identificar la causa. El problema es que múltiples mecanismos dejan huellas eléctricas similares.

Por eso la investigación actual avanza hacia monitorización multimodal y operando, combinando:

• Herramientas electroquímicas (ruptura de polarización, EIS, pruebas de estrés aceleradas)
• Análisis de materiales (microscopía electrónica, espectroscopia in situ e in operando, sondas químicas y estructurales)
• Técnicas de imagen espacialmente resueltas (técnicas de rayos X/neutrones para cartografiar el gas y el agua)

Estos enfoques son especialmente importantes para las tecnologías AEM y alcalinas, ya que el rendimiento suele estar determinado por el transporte y las interfaces, y no solo por la actividad intrínseca del catalizador.

Pilas de combustible: un espejo que nos ayuda a diseñar mejores electrolizadores (y viceversa)

Las pilas de combustible y los electrolizadores comparten una profunda simetría: son dispositivos basados en MEA en los que los ionómeros, los catalizadores y la gestión del agua determinan el rendimiento y la vida útil.

La investigación sobre pilas de combustible ha enseñado a la comunidad duras lecciones sobre la degradación química de los electrolitos poliméricos y los ionómeros, la estabilidad de la interfaz bajo ciclos y el largo lapso entre «parece estable» y « falla de forma súbita».

Esas lecciones se traducen directamente en la electrólisis AEM, donde la estabilidad de los ionómeros y la integridad de los electrodos-ionómeros se están convirtiendo en obstáculos fundamentales. La ventaja de considerar ambas tecnologías conjuntamente es que las estrategias de monitorización, especialmente aquellas que separan los efectos de la membrana de los efectos del electrodo/ionómero, pueden transferirse, adaptarse y acelerarse.

Conclusión

Si queremos que electrolizadores y pilas de combustible se conviertan en infraestructura, debemos tratar la durabilidad como un parámetro de diseño, no como un aspecto secundario. Para ello, necesitamos observar la degradación mientras ocurre, vincularla a condiciones locales de operación y transformar ese conocimiento en materiales y arquitecturas más inteligentes, particularmente en sistemas alcalinos y AEM, donde la gestión de burbujas, las propiedades del separador y el comportamiento del ionómero se acoplan estrechamente a la vida útil.

En CIC energiGUNE podemos apoyar a socios con un conjunto complementario de herramientas de última generación para monitorizar la degradación de MEA mientras ocurre y explicarla a nivel de materiales. Combinamos diagnóstico electroquímico in situ/operando con análisis estructural y químico avanzado. Esto incluye herramientas sensibles a superficie como XPS para seguir cambios químicos/electrónicos y contaminación en interfaces; HRTEM para resolver fenómenos de reestructuración, disolución y redeposición a escala nanométrica en catalizadores e ionómeros; y tomografía de rayos X para visualizar la evolución microestructural y cambios en capas de transporte.

Un activo especialmente potente en este contexto es nuestra plataforma de espectrometría de masas electroquímica (ECMS/DEMS), que permite la detección y cuantificación en tiempo real de productos gaseosos y especies parásitas durante la operación. Al acoplar directamente celdas electroquímicas a espectrometría de masas, podemos identificar cambios sutiles en evolución de gas, crossover, reacciones secundarias y subproductos de degradación mucho antes de que se hagan visibles únicamente como deriva de voltaje. Esta capacidad es especialmente relevante para sistemas con electrolitos poliméricos, donde el transporte bifásico, la inestabilidad del ionómero y las reacciones interfaciales pueden remodelar el rendimiento de forma silenciosa. La combinación de ECMS con análisis estructural y químico posterior proporciona un nivel poco común de resolución mecanística, permitiendo no solo observar la degradación, sino comprender su origen y cinética bajo condiciones de operación realistas.

En conjunto, estas técnicas permiten conectar la deriva a nivel de dispositivo con la evolución de componentes específicos de la MEA, para que los socios puedan convertir observaciones de durabilidad en pasos concretos de diseño y validación.