La superficie se crea mediante láseres pulsados. Crédito:TU Wien
Para que funcione una pila de combustible, necesita un agente oxidante. TU Wien ahora ha encontrado una manera de explicar por qué el oxígeno no siempre ingresa a las celdas de combustible de manera efectiva, haciéndolos inutilizables.
Las pilas de combustible utilizan una reacción química simple, como la combinación de oxígeno e hidrógeno para formar agua, para generar electricidad. La cuestión de cuál es el mejor material para utilizar en la fabricación de pilas de combustible cerámicas no es sencilla, sin embargo. Se requieren nuevos materiales que actúen como catalizador de la reacción química requerida con la máxima eficiencia, pero que también duren el mayor tiempo posible sin que cambien sus propiedades.
Los esfuerzos anteriores para desarrollar materiales que cumplan con estos requisitos se han basado en gran medida en prueba y error. Sin embargo, Los equipos de TU Wien ahora han logrado encontrar una manera de realizar alteraciones específicas en la superficie de las celdas de combustible a escala atómica y tomar medidas al mismo tiempo. Como resultado, ahora es posible explicar fenómenos importantes por primera vez, incluyendo las razones por las que los átomos de estroncio son problemáticos y el hecho de que el cobalto puede ser útil en una pila de combustible.
El cuello de botella del suministro de oxígeno
En el cátodo, el terminal positivo de la pila de combustible, el oxígeno se incorpora al material de la pila de combustible desde el aire. Los iones de oxígeno cargados eléctricamente tienen que viajar a través del material y reaccionar con el combustible, por ejemplo hidrógeno, en el lado cargado negativamente, el ánodo.
"El cuello de botella dentro de todo este proceso es la incorporación de oxígeno en el cátodo, "explica Ghislain Rupp, del grupo de investigación dirigido por el profesor Jürgen Fleig en el Instituto de Tecnologías Químicas y Análisis de TU Wien. El equipo dirigido por el profesor Andreas Limbeck y con sede en el mismo instituto también participó en este proyecto de investigación.
En ciertos puntos, es mucho más fácil que el oxígeno ingrese al material. Crédito:TU Wien
Las pilas de combustible deben funcionar a temperaturas extremadamente altas, en algún lugar en la región de entre 700 y 1000 grados Celsius, para asegurar que el oxígeno se incorpore con la suficiente rapidez. Los investigadores llevan mucho tiempo intentando identificar mejores materiales de cátodos que permitan reducir la temperatura de funcionamiento. "Hay algunas opciones conocidas que son de especial interés, incluyendo cobaltito de estroncio de lantano, o LSC para abreviar, "explica Ghislain Rupp. El mayor problema en este caso es que estos materiales no se mantienen estables a largo plazo. Siempre hay un punto en el que la actividad cae y el rendimiento de la pila de combustible disminuye. Hasta ahora, sólo ha sido posible adivinar la razón precisa de esto.
Alteraciones de superficie específicas
Una cosa siempre ha estado clara:la superficie del cátodo, donde el oxígeno debe asentarse antes de ingresar a la celda de combustible, tiene un papel crucial que desempeñar. Teniendo esto en cuenta, Los equipos de TU Wien desarrollaron un método para realizar modificaciones específicas en la superficie que también permite tomar medidas al mismo tiempo para determinar los efectos de esto en las propiedades eléctricas de la pila de combustible.
"Usamos un pulso láser para vaporizar varios materiales, que luego se acumulan en pequeños volúmenes en la superficie, "explica Rupp." Esto nos permite modificar la composición de la superficie del cátodo en pequeños, dosis precisas, al mismo tiempo que monitorea cómo esto afecta la resistencia del sistema ".
Andreas Limbeck, Ghislain Rupp, Jürgen Fleig (de izquierda a derecha). Crédito:TU Wien
El efecto dañino del estroncio excesivo
De este modo, hemos podido demostrar que los materiales que contienen grandes volúmenes de estroncio en la superficie tienen un efecto dañino:"Si hay demasiados átomos de estroncio en la superficie, el oxígeno no se incorpora de manera muy efectiva en absoluto, "dice Rupp." El oxígeno es absorbido por la superficie del cátodo de manera muy desigual. En algunos lugares preferenciales, por ejemplo, dónde se encuentran los átomos de cobalto, el oxígeno se incorpora de forma eficaz. Sin embargo, en los puntos donde domina el estroncio, casi nada de oxígeno puede entrar en el cátodo ". Esto también explica por qué las pilas de combustible se deterioran con el tiempo, a medida que el estroncio dentro del material migra a la superficie y cubre cualquier acumulación de cobalto activo, en última instancia, manteniendo el aire alejado de la celda de combustible.
Estos hallazgos proporcionan información importante sobre cómo el oxígeno se incorpora fundamentalmente a materiales como el LSC y qué procesos provocan el deterioro del rendimiento de las pilas de combustible. "Esta investigación nos ha acercado mucho más al uso técnico de LSC como material de pila de combustible, "Rupp cree". Además, Nuestro nuevo método de investigación, que combina el recubrimiento ultrapreciso con la medición eléctrica, seguramente encontrará otras aplicaciones importantes dentro del campo de los iónicos de estado sólido ".
