Un equipo de investigación colaborativo, incluido el Laboratorio Nacional de Los Alamos, Universidad de Stuttgart (Alemania), Universidad de Nuevo México, y Sandia National Laboratories, ha desarrollado un conductor de protones para pilas de combustible a base de ácidos poliestireno fosfónicos que mantienen una alta conductividad protónica hasta 200 grados C sin agua. Describen el avance material en un artículo publicado esta semana en Materiales de la naturaleza .

Hidrógeno producido a partir de renovables, nuclear, o combustibles fósiles con captura de carbono, utilización, y el almacenamiento pueden ayudar a descarbonizar las industrias y proporcionar resiliencia energética y flexibilidad en múltiples sectores de la economía. Hacia eso, Las pilas de combustible son una tecnología prometedora que convierte el hidrógeno en electricidad mediante un proceso electroquímico. emitiendo solo agua.

"Si bien la comercialización de vehículos eléctricos de pila de combustible de alta eficiencia ha comenzado con éxito, "dijo Yu Seung Kim, líder de proyecto en Los Alamos, "Se necesitan más innovaciones tecnológicas para la plataforma de celdas de combustible de próxima generación que evoluciona hacia aplicaciones de vehículos pesados. Uno de los desafíos técnicos de las celdas de combustible actuales es el rechazo de calor de las reacciones electroquímicas exotérmicas de las celdas de combustible.

"Habíamos estado luchando por mejorar el rendimiento de las celdas de combustible de membrana de alta temperatura después de haber desarrollado una membrana coordinada por pares de iones en 2016, ", dijo Kim." Los polímeros de par iónico son buenos para el uso de membranas, pero el alto contenido de dopantes de ácido fosfórico causó envenenamiento de los electrodos e inundación de ácido cuando usamos el polímero como aglutinante de electrodos ".

En las pilas de combustible actuales, el requisito de rechazo de calor se cumple operando la celda de combustible a un voltaje de celda alto. Para lograr un motor de pila de combustible eficiente, la temperatura de funcionamiento de las pilas de pilas de combustible debe aumentar al menos hasta la temperatura del refrigerante del motor (100 grados C).

"Creíamos que los polímeros fosfonados serían una buena alternativa, pero los materiales anteriores no pudieron implementarse debido a la formación indeseable de anhídrido a las temperaturas de funcionamiento de la pila de combustible. Por eso nos hemos centrado en preparar polímeros fosfonados que no sufran la formación de anhídrido. El equipo de Kerres en la Universidad de Stuttgart pudo preparar dichos materiales mediante la introducción de una fracción de flúor en el polímero. Es emocionante que ahora tengamos un aglutinante ionomérico y de membrana para celdas de combustible de alta temperatura, "dijo Kim.

Hace diez años, Atanasov y Kerres desarrollaron una nueva síntesis para un poli (pentafluoroestireno) fosfonado que consistía en las etapas (i) polimerización de pentafluoroestireno mediante polimerización en emulsión de radicales y (ii) fosfonación de este polímero mediante una reacción de fosfonación nucleofílica. Asombrosamente, este polímero mostró una buena conductividad de protones siendo más alta que Nafion en el rango de temperatura> 100 grados C, y una excelente estabilidad química y térmica inesperada de> 300 grados C.

Atanasov y Kerres compartieron su desarrollo con Kim en Los Alamos, cuyo equipo, a su vez, desarrolló pilas de combustible de alta temperatura para usar con los polímeros fosfonados. Con la integración del conjunto de electrodos de membrana con la membrana coordinada de par de iones de LANL (Lee et al. Nature Energy, 1, 16120, 2016), las celdas de combustible que empleaban el polímero fosfonado exhibieron una excelente densidad de potencia (1,13 W cm-2 bajo H ₂ / O ₂ condiciones con> 500 h de estabilidad a 160 grados C).

¿Que sigue? "Alcanzando más de 1 W cm ^-2 La densidad de potencia es un hito crítico que nos dice que esta tecnología puede comercializarse con éxito ", dijo Kim. Actualmente, la tecnología se está comercializando a través de ARPA-E del Departamento de Energía y la Oficina de Tecnologías de Hidrógeno y Celdas de Combustible dentro de la Oficina de Eficiencia Energética y Energía Renovable (EERE).