
El diseño de electrodo ranurado permite que el transporte de oxígeno y protones se divida en ranuras y crestas separadas, respectivamente, lo que permite un movimiento más rápido de ambas especies y, por lo tanto, una mayor eficiencia de la celda de combustible. Préstamo: La energía de la naturaleza (2023). DOI: 10.1038/s41560-023-01263-2
Una nueva y prometedora tecnología de celdas de combustible de hidrógeno tiene hasta un 50 % más de eficiencia que la tecnología de punta actual, con una durabilidad mejorada. Los avances en el diseño de electrodos ranurados podrían ayudar a optimizar la tecnología de celdas de combustible de próxima generación para impulsar el transporte de cero emisiones de servicio mediano y pesado.
“Teníamos la teoría de que al reinventar cómo se diseñan los electrodos, podríamos lograr un mejor rendimiento”, dijo Jacob Spendelow, científico de materiales del equipo del Laboratorio Nacional de Los Alamos, quien informó sus resultados en la revista. La energía de la naturaleza. “Uno de nuestros mayores aprendizajes es que los materiales novedosos no son la única forma de mejorar el rendimiento. La forma en que se combinan los materiales puede ser igual de importante.
“Todo lo que hicimos fue tomar materiales convencionales disponibles comercialmente y cambiar la forma en que los juntamos para cambiar la arquitectura a microescala, lo que resultó en un rendimiento mucho mayor”.
Las celdas de combustible de hidrógeno, específicamente una versión de la tecnología llamada celdas de combustible de membrana de intercambio de protones, representan un diseño de motor de cero emisiones que utiliza hidrógeno como combustible. Las pilas de combustible tienen el potencial de transformar el sector del transporte medio y pesado, que es difícil de descarbonizar.
El diseño promueve el rendimiento y la durabilidad.
En un dispositivo de celda de combustible, el hidrógeno y el oxígeno reaccionan electroquímicamente para producir una corriente eléctrica que puede alimentar un dispositivo externo, como un motor eléctrico. Las reacciones electroquímicas tienen lugar en los electrodos de la pila de combustible, que contienen un catalizador a base de platino para la reacción y un polímero conductor de iones (ionómero) para transportar los protones necesarios para completar la reacción.
Spendelow y sus colegas desarrollaron un diseño de electrodo ranurado que mejora la eficiencia de transporte de oxígeno y protones del dispositivo. El equipo fabricó el dispositivo en el Laboratorio del Centro de Nanotecnologías Integradas, utilizando fotolitografía y grabado profundo de iones reactivos a escala micrométrica (una milésima de milímetro) para calibrar las plantillas de silicio para la fabricación de electrodos. El electrodo resultante consta de crestas de catalizador de alto ionómero separadas por ranuras vacías que los protones y el oxígeno utilizan como vías para moverse de manera más eficiente a través del sistema.
Los diagnósticos del equipo combinados con modelos y simulaciones multifísicas demostraron una mejora en el transporte de oxígeno. El aprendizaje automático también ha hecho posible guiar los cálculos de modelado multifísico, ahorrando tiempo de cómputo. En particular, los electrodos ranurados también mejoraron la durabilidad, incluso después de la corrosión por carbono.
Una historia de innovación
El enfoque de electrodo ranurado es uno de varios diseños novedosos de celdas de combustible que se han introducido como parte del programa de celdas de combustible de Los Álamos.
“El conjunto de electrodos de membrana de la celda de combustible original se inventó en Los Álamos hace más de 30 años, pero el diseño de la celda de combustible que se usa hoy apenas ha cambiado”, dijo Spendelow. “Este electrodo ranurado es uno de los primeros electrodos alternativos que podría reemplazar al electrodo histórico de Los Álamos”.
El equipo de celdas de combustible continuará desarrollando el diseño de electrodos ranurados, buscando particularmente involucrarse en I+D específicos de producción. Mejorar el proceso de producción para implementarlo en una instalación de producción de rollo a rollo con una producción rápida y de bajo costo es un objetivo a largo plazo.
Más información:
ChungHyuk Lee et al., Electrodos ranurados para celdas de combustible de densidad de alta potencia, La energía de la naturaleza (2023). DOI: 10.1038/s41560-023-01263-2