Las pilas de combustible no han sido particularmente conocidas por su practicidad y asequibilidad, pero eso puede haber cambiado. Hay una nueva celda que funciona con combustible barato a temperaturas comparables a las de los motores de los automóviles y que reduce drásticamente los costos de materiales.

Aunque la celda está en el laboratorio, tiene un alto potencial para algún día alimentar eléctricamente hogares y tal vez automóviles, dicen los investigadores del Instituto de Tecnología de Georgia que lideraron su desarrollo. En un nuevo estudio en la revista Energía de la naturaleza los investigadores detallaron cómo reinventaron toda la celda de combustible con la ayuda de un catalizador de combustible recién inventado.

El catalizador ha prescindido del combustible de hidrógeno de alto precio al fabricar el suyo con combustible barato y metano fácilmente disponible. Y las mejoras en toda la celda enfriaron dramáticamente las temperaturas de funcionamiento que son habituales en las celdas de combustible de metano, un logro de ingeniería sorprendente.

Las celdas de combustible de metano generalmente requieren temperaturas de 750 a 1, 000 grados Celsius para funcionar. Este nuevo solo necesita alrededor de 500, que es incluso un poco más frío que los motores de combustión de automóviles, que corren a alrededor de 600 grados centígrados.

Esa temperatura más baja podría generar ahorros de costos en cascada en la tecnología auxiliar necesaria para operar una celda de combustible, potencialmente empujando la nueva célula a la viabilidad comercial. Los investigadores están seguros de que los ingenieros pueden diseñar unidades de energía eléctrica alrededor de esta celda de combustible con un esfuerzo razonable. algo que ha eludido las pilas de combustible de metano anteriores.

'Sensación en nuestro mundo'

"Nuestra celda podría ofrecer una sistema general robusto que utiliza acero inoxidable barato para hacer interconectores, "dijo Meilin Liu, quien dirigió el estudio y es profesor de Regents en la Escuela de Ciencia e Ingeniería de Materiales de Georgia Tech. Los interconectores son partes que ayudan a unir muchas celdas de combustible en una pila, o unidad funcional.

"Por encima de 750 grados Celsius, ningún metal resistiría la temperatura sin oxidación, por lo que tendría muchos problemas para conseguir materiales, y serían extremadamente costosos y frágiles, y contaminar la celda, "Dijo Liu.

"Bajar la temperatura a 500 grados Celsius es una sensación en nuestro mundo. Muy pocas personas lo han probado, "dijo Ben deGlee, asistente de investigación graduado en el laboratorio de Liu y uno de los primeros autores del estudio. "Cuando llegas tan bajo, facilita mucho el trabajo del ingeniero que diseña la pila y las tecnologías conectadas ".

La nueva celda también elimina la necesidad de un dispositivo auxiliar importante llamado reformador de vapor, que normalmente se necesita para convertir el metano y el agua en combustible de hidrógeno.

Liu, deGlee, el co-primer autor Yu Chen, quien es investigador postdoctoral en el laboratorio de Liu, y el coautor Yu Tang, de la Universidad de Kansas, publicaron los resultados de su investigación el 29 de octubre. 2018. Su trabajo fue financiado por la Oficina de Ciencias Básicas de la Energía y la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada-Energía (ARPA-E), ambos en el Departamento de Energía de EE. UU. También fue financiado por la División de Química de la National Science Foundation.

'Generación distribuida'

La investigación se basó en un tipo de pila de combustible con alto potencial de viabilidad comercial, la pila de combustible de óxido sólido (SOFC). Las SOFC son conocidas por su versatilidad en los combustibles que pueden utilizar.

Si sale al mercado, aunque es posible que la nueva celda no alimente automóviles por un tiempo, podría aterrizar antes en sótanos como parte de un sistema más descentralizado, limpiador, Red de energía eléctrica más barata. La pila de pilas de combustible en sí sería del tamaño de una caja de zapatos, además de tecnología auxiliar para hacerlo funcionar.

"La esperanza es que pueda instalar este dispositivo como un calentador de agua sin tanque. Funcionaría con gas natural para alimentar su casa, "Eso le ahorraría a la sociedad y la industria el enorme costo de las nuevas plantas de energía y las grandes expansiones de la red eléctrica", dijo Liu.

"Haría que los hogares y las empresas fueran más independientes del poder, "Dijo Liu." Ese tipo de sistema se llamaría generación distribuida, y nuestros patrocinadores quieren desarrollar eso ".

Hidrógeno casero

El hidrógeno es el mejor combustible para alimentar las pilas de combustible, pero su costo es desorbitado. Los investigadores descubrieron cómo convertir metano en hidrógeno en la propia celda de combustible a través del nuevo catalizador. que está hecho con cerio, níquel y rutenio y tiene la fórmula química Ce0.9Ni0.05Ru0.05O2, CNR abreviado.

Cuando las moléculas de metano y agua entran en contacto con el catalizador y el calor, el níquel escinde químicamente la molécula de metano. El rutenio hace lo mismo con el agua. Las partes resultantes vuelven a juntarse como ese hidrógeno (H2) y monóxido de carbono (CO) muy deseables, que, sorprendentemente, los investigadores hicieron un buen uso.

"El CO causa problemas de rendimiento en la mayoría de las pilas de combustible, pero aquí, lo estamos usando como combustible, "Dijo Chen.

Haciendo electricidad

El H2 y el CO continúan en otras capas de catalizador que forman el ánodo, la parte de la pila de combustible que arranca electrones, haciendo que los iones de monóxido de carbono e hidrógeno cargados positivamente. Los electrones viajan a través de un cable, creando el flujo de electricidad, hacia el cátodo.

Allí, oxígeno, que tiene mucha hambre de electrones, chupa los electrones, cerrando el circuito eléctrico y convirtiéndose en iones O2-. El hidrógeno y el oxígeno ionizados se encuentran y salen del sistema como condensación de agua; los iones de monóxido de carbono y oxígeno se unen para convertirse en dióxido de carbono puro, que podría ser capturado.

Por la energía producida, la tecnología de pila de combustible crea lejos, mucho menos dióxido de carbono que los motores de combustión.

En algunas celdas de combustible, el agua de las reacciones iniciales debe introducirse desde el exterior. En esta nueva celda de combustible, se repone en la última fase de reacción, que forma agua que vuelve a reaccionar con el metano.

Los catalizadores convergen

El nuevo catalizador, CNR, fabricado por colaboradores de investigación en la Universidad de Kansas, es la capa exterior del lado del ánodo de la celda y funciona como protector contra la descomposición, alargando la vida de la célula. CNR tiene fuertes catalizadores de cohorte en las capas internas y en el otro lado de la celda, el cátodo.

En el extremo del cátodo, La reacción y el movimiento del oxígeno a través del sistema suelen ser notoriamente lentos, pero el laboratorio de Liu lo ha acelerado recientemente para aumentar la producción de electricidad mediante el uso de cátodos de nanofibras, que el laboratorio de Liu desarrolló en un estudio anterior. (Ver estudio anterior:Un catalizador de nanofibras de perovskita doble personalizado permite la evolución ultrarrápida de oxígeno).

"Las estructuras de estos diversos catalizadores, así como los cátodos de nanofibras, todos juntos nos permitieron bajar la temperatura de funcionamiento, "Dijo Chen.