Un nuevo impulso a la tecnología de celdas de combustible de Georgia Tech:un recubrimiento de nanopartículas en este disco turboalimenta el procesamiento de oxígeno en el extremo del cátodo de las celdas de combustible de óxido sólido. aumentando ocho veces el mejor rendimiento actual. Crédito:Tecnología de Georgia / Christopher Moore
Impulsando limpio, coches eficientes es solo una de las formas en que la tecnología de pilas de combustible podría acelerar a la humanidad hacia un futuro energético sostenible, pero desafortunadamente, la tecnología ha sido un poco lenta. Ahora, los ingenieros pueden esencialmente turbocargar las celdas de combustible con un nuevo catalizador.
La lentitud proviene de un cuello de botella químico, la tasa de procesamiento de oxígeno, un ingrediente clave que ayuda a las pilas de combustible, que están relacionados con las baterías, produce electricidad. El nuevo catalizador, un material de nanotecnología desarrollado por ingenieros del Instituto de Tecnología de Georgia, acelera notablemente el procesamiento del oxígeno y es objeto de un nuevo estudio.
En parte para adaptarse a las limitaciones del oxígeno, las pilas de combustible suelen requerir combustible de hidrógeno puro, que reacciona con el oxígeno extraído del aire, pero los costes de producción del hidrógeno han sido prohibitivos. El nuevo catalizador es un potencial cambio de juego.
"Puede convertir fácilmente el combustible químico en electricidad con alta eficiencia, "dijo Meilin Liu, quien dirigió el estudio y es profesor de Regents en la Escuela de Ciencia e Ingeniería de Materiales de Georgia Tech. "Puede permitirle usar combustibles fácilmente disponibles como metano o gas natural o simplemente usar combustible de hidrógeno de manera mucho más eficiente, "Dijo Liu.
Catalizador 8 veces más rápido
El catalizador logra la eficiencia al hacer pasar oxígeno a través del sistema de una celda de combustible. "Es más de ocho veces más rápido que los materiales de última generación que hacen lo mismo ahora, "dijo Yu Chen, un investigador asociado postdoctoral en el laboratorio de Liu y el primer autor del estudio.
Hay algunos tipos de pilas de combustible, pero los investigadores trabajaron para mejorar las pilas de combustible de óxido sólido, que se encuentran en algunos prototipos de automóviles con pilas de combustible. Los conocimientos de la investigación también podrían ayudar a perfeccionar los supercondensadores y la tecnología combinada con paneles solares, avanzando así la energía sostenible más allá del potencial inmediato del nuevo catalizador para mejorar las pilas de combustible.
Liu y Chen publicaron su estudio en la edición de marzo de la revista. Joule . Su investigación fue financiada por el Departamento de Energía de EE. UU. Y por el Programa de Investigación Empresarial e Innovadora de Guangdong. El trabajo de pila de combustible del laboratorio de Liu ya ha atraído un interés significativo en la industria energética y en la industria automotriz.
Nissan es una empresa automotriz que invierte en el desarrollo de vehículos propulsados por celdas de combustible. Aquí se muestra un prototipo que, según Nissan, es "el primer vehículo prototipo de pila de combustible de óxido sólido (SOFC) del mundo que funciona con energía eléctrica de bioetanol". Crédito:Nissan Motor Corporation
Oxígeno naturalmente lento
Aunque funcionan de manera diferente a las pilas de combustible y son mucho menos eficientes y limpias, Los motores de combustión constituyen una metáfora útil para ayudar a comprender cómo funcionan las pilas de combustible y el nuevo catalizador.
En un motor de combustión, el combustible de un tanque y el oxígeno del aire se unen para reaccionar en una explosión, produciendo energía que hace girar un cigüeñal. Agregar un turbocompresor acelera el proceso al mezclar combustible y oxígeno más rápidamente y apresurarlos a la combustión.
En la actualidad, en pilas de combustible, El combustible de hidrógeno de un tanque y el oxígeno del aire también impulsan un proceso que produce energía, en este caso, electricidad. Los dos ingredientes se unen en una reacción, pero uno muy diferente a la combustión, y mucho más limpio.
Un extremo de la pila de combustible el ánodo, elimina electrones de los átomos de hidrógeno en lo que se llama oxidación y envía los electrones a través de un circuito externo como corriente eléctrica al cátodo en el otro lado. Allí, oxígeno, que es notoriamente hambriento de electrones, absorbe los electrones en lo que se llama reducción, y eso mantiene la electricidad fluyendo.
El hidrogeno ahora con carga positiva, y el oxigeno, ahora con carga negativa, reunirse para formar agua, que es el escape de la pila de combustible.
En esa cadena de reacción, el oxígeno es el enlace lento de dos maneras:la reducción del oxígeno lleva más tiempo que la oxidación del hidrógeno, y el oxígeno reducido se mueve más lentamente a través del sistema para encontrarse con el hidrógeno. Análogo al turbocompresor, el nuevo catalizador empuja el oxígeno hacia adelante.
Un nuevo catalizador para acelerar el procesamiento de oxígeno en las pilas de combustible:la profesora de los Regentes Meilin Liu (izquierda) con el investigador asociado postdoctoral Yu Chen en el laboratorio de Georgia Tech de Liu mientras muestran un disco recubierto con el catalizador, que funciona en dos fases. El nuevo material también conserva los cátodos en las pilas de combustible de óxido sólido. Crédito:Tecnología de Georgia / Christopher Moore
Ráfaga de nano oxígeno
El catalizador se aplica como una capa transparente de solo unas dos docenas de nanómetros de espesor y está compuesto por dos soluciones de nanotecnología conectadas que rompen ambos cuellos de botella de oxígeno.
Primero, nanopartículas altamente atractivas para el oxígeno agarran la molécula de O2 y permiten que los electrones que ingresan salten rápidamente sobre ella, reduciéndolo fácilmente y rompiéndolo en dos iones de oxígeno separados (cada uno un O2-). Luego, una serie de espacios químicos llamados vacantes de oxígeno que se construyen en las estructuras de las nanopartículas absorben los iones de oxígeno como cadenas de aspiradoras que pasan los iones de mano en mano a la segunda fase del catalizador.
La segunda fase es un recubrimiento que está lleno de vacantes de oxígeno que pueden pasar el O2 aún más rápidamente hacia su destino final.
"El oxígeno baja rápidamente a través de los canales y entra en la celda de combustible, donde se encuentra con el hidrógeno ionizado u otro donante de electrones como el metano o el gas natural ".
Los iones se encuentran para hacer agua, que sale de la pila de combustible. En el caso del combustible de metano, también se emite CO2 puro, que se puede capturar y reciclar para convertirlo en combustible.
Interesante metales raros
En la primera etapa, hay dos sabores diferentes de nanopartículas en acción. Ambos tienen cobalto, pero uno contiene bario y el otro praseodimio, un metal de tierras raras que puede ser caro en grandes cantidades.
Un diagrama simple describe el funcionamiento básico de una celda de combustible de óxido sólido. Crédito:Smithsonian / Museo Nacional de Historia Estadounidense
"El praseodimio se encuentra en cantidades tan pequeñas que no afecta los costos, "Dijo Liu." Y el catalizador ahorra mucho dinero en combustible y en otras cosas ".
Las altas temperaturas de funcionamiento en las pilas de combustible existentes requieren carcasas protectoras y materiales de refrigeración costosos. Los investigadores creen que el catalizador podría ayudar a bajar las temperaturas al reducir la resistencia eléctrica inherente a la química actual de las pilas de combustible. Eso podría, Sucesivamente, Reducir los costos generales de material.
Recubrimiento de cátodo protector
La segunda etapa del catalizador es una red que contiene praseodimio y bario, así como calcio y cobalto (PBCC). Además de su función catalítica, el revestimiento de PBCC protege el cátodo de la degradación que puede limitar la vida útil de las pilas de combustible y dispositivos similares.
El material del cátodo original subyacente, que contiene los metales lantano, estroncio, cobalto, y hierro (LSCF), se ha convertido en un estándar de la industria, pero viene con una advertencia.
"Es muy conductor, muy bien, pero el problema es que el estroncio sufre una disminución llamada segregación en el material, "Dijo Liu." Un componente de nuestro catalizador, PBCC, actúa como recubrimiento y mantiene el LSCF mucho más estable ".
La fabricación de LSCF ya está bien establecida, y probablemente podría lograrse razonablemente la adición del revestimiento de catalizador a la producción. Liu también está considerando reemplazar el cátodo LSCF por completo con el nuevo material catalizador, y su laboratorio está desarrollando un catalizador más para impulsar las reacciones de oxidación del combustible en el ánodo de la celda de combustible.
