Una de las tecnologías de energía limpia más prometedoras acaba de mejorar aún más. Investigadores de la Universidad de Delaware han desarrollado los más poderosos, componentes de pila de combustible de membrana de intercambio de hidróxido duraderos registrados, que describieron recientemente en la revista Energía de la naturaleza . ¿El ingrediente clave? Membranas hechas de polímeros de poli (aril piperidinio).

Las pilas de combustible funcionan convirtiendo la energía química en electricidad, y son una fuente de energía prometedora para vehículos ecológicos. Ya existen en el mercado algunos vehículos de pila de combustible, incluido el Toyota Mirai, el Honda Clarity y el Hyundai Nexo, y se están desarrollando más coches de pila de combustible en todo el mundo. Las pilas de combustible de los automóviles requieren el uso de un costoso material catalizador, generalmente platino, para acelerar las reacciones químicas en el interior. Se denominan pilas de combustible de intercambio de membranas de protones, y contienen membranas hechas de un material polimérico fluorado.

Durante casi dos décadas, Yushan Yan, Profesor Distinguido de Ingeniería de Ingeniería Química y Biomolecular, ha estado trabajando para desarrollar celdas de combustible que no requieren catalizadores de platino y, en su lugar, emplean metales más baratos, como plata o níquel. Estas pilas de combustible contienen membranas de intercambio de hidróxido, que cambian el ambiente dentro de las celdas de combustible de ácido, el estándar actual, a alcalino. La membrana de la pila de combustible es la que determina el pH del interior.

"Podemos hacer que los componentes sean mucho más baratos cambiando de las celdas de combustible de membrana de intercambio de protones a las celdas de combustible de membrana de intercambio de hidróxido, "dijo Yan. Para hacer estas membranas, Yan ha estado en la búsqueda de un desarrollo óptimo, materiales escalables. Para este proyecto, Yan contó con la experiencia de otro experto en electroquímica en la UD:Bingjun Xu, profesor asistente de ingeniería química y biomolecular.

Los polímeros de intercambio de hidróxido constan de una cadena larga, o columna vertebral, y una cadena lateral con un ion cargado positivamente, o catión. En el trabajo pasado de Yan, las cadenas laterales utilizadas en las membranas de intercambio de hidróxido contenían cationes positivos muy grandes, lo que los hizo estables pero obstaculizó su conductividad. El material de la columna vertebral, por otra parte, era barato, pero no lo suficientemente estable.

"La pregunta era:¿cómo se crea un nuevo polímero que sea estable tanto para el catión orgánico como para la columna vertebral al mismo tiempo? con un pequeño catión? ", Dijo Yan.

Usando polímeros de poli (aril piperidinio), el equipo desarrolló membranas de intercambio de hidróxido e ionómeros con propiedades favorables, incluida una buena conductividad iónica, estabilidad química, robustez mecánica, separación de gases y solubilidad selectiva. Cuando el equipo probó estos materiales en un sistema con solo una cantidad muy pequeña de platino, las pilas de combustible alimentadas con aire tenían una densidad de potencia máxima de 920 milivatios por centímetro cuadrado y funcionaban de manera estable a una densidad de corriente de 500 miliamperios por centímetro cuadrado durante 300 horas en aire a 95 grados Celsius.

Estas son las mejores estadísticas de potencia y estabilidad hasta ahora para una membrana de intercambio de hidróxido a más de 90 grados Celsius y lo más cerca que se ha acercado a las 5000 horas de funcionamiento que se requerirían para usar esta tecnología en un automóvil.

El equipo desarrolló una familia de polímeros, haciendo que esta tecnología sea versátil. "Hay muchas perillas que podemos girar para ofrecer diferentes propiedades, ", dijo Yan." Esta es una tecnología de plataforma ".

El primer autor del artículo es el investigador asociado Junhua Wang, que ha estado trabajando en este proyecto desde 2011. "Para que se haga este descubrimiento, tenía que ser muy paciente, "dijo Yan." Es un científico maravilloso, muy creativo y diligente ".