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
Las pilas de combustible de membrana de intercambio de protones (PEMFC) son una solución energética prometedora para reducir las emisiones de dióxido de carbono en el sector del transporte. Como su nombre indica, estas células contienen una membrana conductora de protones basada en materiales poliméricos que sirve como electrolito. Si bien las PEMFC pueden tener ventajas significativas, será necesario mejorar su costo, durabilidad y la disponibilidad del combustible requerido para operarlas antes de que puedan implementarse a gran escala.
Investigadores del Laboratorio Nacional de Los Álamos desarrollaron recientemente nuevos electrodos que podrían mejorar significativamente el rendimiento y la durabilidad de las PEMFC. Estos electrodos, introducidos en La energía de la naturalezatienen una conformación acanalada distintiva que puede facilitar el transporte tanto de oxígeno como de protones en las celdas de combustible.
“Sabíamos que el rendimiento de los electrodos convencionales estaba limitado por el transporte de moléculas como el oxígeno y los protones, y nos inspiramos en el trabajo histórico de nuestros colegas de LANL en la década de 1990, quienes descubrieron cómo combinar un catalizador a base de platino y carbono con un ionómero conductor de protones para lograr una mejora significativa en el rendimiento”, dijo Tech Xplore Jacob Spendelow, uno de los investigadores que realizó el estudio.
“Es un poco sorprendente que 30 años después, los electrodos de última generación todavía usan esencialmente la misma estructura. Así que decidimos rediseñar la estructura utilizando un enfoque de diseño racional para acelerar el transporte de oxígeno y protones”.
Los electrodos ranurados diseñados por Spendelow y sus colegas tienen numerosas crestas a microescala que consisten esencialmente en un catalizador de platino con soporte de carbono separado por cavidades huecas. Debido a su configuración única, pueden distribuir oxígeno y transporte de protones a diferentes partes de su estructura.
“Los electrodos convencionales requieren un transporte mixto de oxígeno y protones a través de todas las partes del electrodo, lo que requiere algunos compromisos de diseño porque el ionómero conductor de protones dificulta el transporte de oxígeno”, explicó Spendelow. “Por el contrario, al separar el oxígeno y el transporte de protones, el diseño del electrodo ranurado permite que partes del electrodo (ranuras) se optimicen para el transporte de oxígeno, mientras que otras partes (crestas) se optimizan para el transporte de protones. El enfoque permite un transporte más rápido y una mayor eficiencia”.
Los investigadores evaluaron sus electrodos ranurados en una serie de pruebas realizadas en condiciones operativas estándar de pilas de combustible. Descubrieron que su rendimiento era hasta un 50 % mejor que el de los electrodos convencionales y que podían facilitar el transporte de oxígeno y mejorar la uniformidad de las reacciones químicas. Además, los electrodos ranurados demostraron ser más duraderos que sus homólogos convencionales, ya que su rendimiento no disminuyó tanto después de la prueba de corrosión por carbono.
“La mayor parte de la investigación para mejorar el rendimiento y la durabilidad de las pilas de combustible se centra en el desarrollo de nuevos materiales”, dijo Spendelow. “Los nuevos materiales son ciertamente útiles, pero nuestro trabajo muestra que la estructura del electrodo es igual de importante. Esperamos que estos resultados inspiren a otros científicos a seguir avanzando en las pilas de combustible y dispositivos relacionados mediante el desarrollo de mejores diseños de electrodos”.
Los hallazgos preliminares recopilados por este equipo de científicos son muy prometedores y sugieren que los electrodos ranurados pueden mejorar significativamente tanto el rendimiento como la durabilidad de las PEMFC, al tiempo que reducen potencialmente su tamaño y costos de fabricación. Sin embargo, su último trabajo es simplemente una prueba de concepto, ya que la microfabricación utilizada para crear sus prototipos sería difícil de ampliar.
“Se necesita más trabajo para producir la estructura de electrodo ranurado de rollo a rollo para llevar este concepto del laboratorio a la línea de producción”, agregó Spendelow. “Al mismo tiempo, también buscamos otras ideas para el diseño racional de electrodos, tratando de desarrollar nuevas arquitecturas de electrodos con un rendimiento y una durabilidad incluso superiores a los del electrodo ranurado”.
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
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