Construyendo una mejor pila de combustible

Las pilas de combustible basadas en compuestos ácidos sólidos pueden ofrecer voltajes más altos, temperaturas de funcionamiento más altas, menos complejidad del sistema y más opciones de combustible que las pilas de combustible actuales. Así que informan a los investigadores del Instituto de Tecnología de California en la Naturaleza .



Las pilas de combustible convierten la energía química directamente en energía eléctrica, un proceso más eficiente que la combustión ( ver Llenarlo con hidrógeno ). Las pilas de combustible más prometedoras utilizan membranas hechas de electrolitos poliméricos. Funcionan haciendo pasar un combustible, como el hidrógeno, a través de la membrana, que solo es permeable a los protones. El electrón del hidrógeno debe rodear la membrana y generar la corriente eléctrica. En el otro lado de la membrana, el hidrógeno se une con el oxígeno atmosférico, por lo que el único subproducto es el agua.

Pero las membranas de polímero electrolítico tienen un gran inconveniente: necesitan humedad para funcionar. Eso limita las condiciones de funcionamiento por debajo del punto de ebullición del agua, una limitación importante sobre dónde y cómo se pueden utilizar las pilas de combustible.





Para que funcione, el polímero debe estar húmedo, dice Sossina Haile, profesora asistente de ciencia de materiales en Caltech y autora principal de la Naturaleza papel. Esto significa que hay muchos problemas de gestión del agua y problemas de gestión de la temperatura. Tienes que mantenerlo fresco pero no demasiado frío, mojado pero no demasiado mojado. (Demasiado vapor de agua, se condensa en la superficie de la membrana y bloquea el gas). Todo esto aumenta la complejidad y, por lo tanto, el costo de las celdas de combustible, dice.

No hay agua, no hay problema

Grupo de investigación del profesor Haile (de izquierda a derecha): Calum Chisholm, Ryan Merle, Dane Boysen y Sossina Haile.



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A diferencia de las membranas de electrolitos poliméricos, las membranas de ácido sólido de Haile son anhidras, lo que significa que funcionan independientemente de la presencia de agua. En Naturaleza , Haile informó resultados positivos a temperaturas de hasta 160 ° Celsius para membranas hechas de hidrogenosulfato de cesio, un ácido sólido casi tan barato como la sal de mesa, dice Haile.

Es maravilloso tener un electrolito conductor de protones libre de agua, dice Sekharipuram Narayanan, investigador de celdas de combustible en el Laboratorio de Propulsión a Chorro de la Administración Nacional de Aeronáutica y del Espacio que ha trabajado con Haile en el pasado.

La investigación de Narayanan se centra en alimentar las celdas de combustible con metanol, un área que podría recibir un gran impulso de las membranas ácidas sólidas. Las llamadas pilas de combustible de metanol directo utilizan metanol en lugar de hidrógeno como combustible. Pero las membranas a base de polímeros también permiten que algo de metanol pase sin generar energía, un problema llamado cruce de metanol. Aunque no se ha demostrado, Haile teoriza que los ácidos sólidos pueden reducir el entrecruzamiento de metanol.

Azufre, ¿gran problema?



gente haciendo el desafío del maniquí

Sin embargo, se deben superar obstáculos importantes para que las pilas de combustible de ácido sólido sean una fuente viable de energía. El prototipo de Haile generó solo 50 miliamperios de corriente por centímetro cuadrado de membrana, en comparación con el 1 amperio por centímetro cuadrado generado por las membranas de electrolitos de polímero.

Hay un muy Un largo camino por recorrer con su enfoque antes de que se vuelva casi útil, dice Tom Zawodzinski, investigador de celdas de combustible del Laboratorio Nacional de Los Alamos, en un correo electrónico enviado a technologyreview.com.

Otro problema: los electrolitos sólidos, como los de Haile, no funcionan a temperatura ambiente y deben calentarse antes de que comiencen a generar energía. Eso no es gran cosa, dice Narayanan, cuando estás alimentando un automóvil, pero hace que las aplicaciones pequeñas, como los teléfonos celulares, sean casi imposibles.

Quizás el mayor obstáculo es que la membrana de Haile contiene azufre, que reacciona con el combustible de hidrógeno para reducir gradualmente el rendimiento de la pila de combustible. El problema es que la pila de combustible, el electrolito, se enfrenta a un entorno extremo, dice Haile. La membrana contiene azufre que reaccionará con el hidrógeno. El producto de la reacción, el sulfuro de hidrógeno, interfiere con la reacción química que genera electricidad.

Para solucionar el problema, el grupo de investigación de Haile está buscando ácidos sólidos que no contengan azufre. Es algo que podría resolverse hoy, o podría resolverse nunca, dice ella.

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