Las pilas de combustible de membrana de intercambio de protones generan energía eléctrica descomponiendo el hidrógeno molecular en nanopartículas de platino finamente dispersas en la superficie de una membrana conductora de protones. Al mismo tiempo, el oxígeno se reduce en el cátodo, lo que da como resultado la formación de agua. A altas densidades de corriente, la reducción de oxígeno suele estar limitada por el transporte de protones a través de la membrana. No es factible utilizar membranas más delgadas, ya que esto las haría susceptibles a la degradación.
Un enfoque alternativo prometedor implica el suministro directo de protones al cátodo, evitando así las limitaciones del transporte de masa a través de la membrana. Esto se puede lograr proporcionando un ambiente ácido en el cátodo, el llamado dopaje ácido, mejorando así el rendimiento de las pilas de combustible. En este caso, el electrodo y el ionómero, un polímero que garantiza la conductividad protónica, son ácidos, mientras que el electrolito permanece alcalino.
Los óxidos superficiales desempeñan un papel importante.
Investigadores del laboratorio de dispersión e imágenes de neutrones y del laboratorio de interfaces electroquímicas del PSI y del Helmholtz-Zentrum Hereon han podido identificar y caracterizar los procesos que tienen lugar en el cátodo durante el llamado dopaje ácido.
Para los experimentos, los investigadores utilizaron dos configuraciones diferentes:por un lado, los experimentos modelo en una celda electroquímica especialmente diseñada les permitieron realizar experimentos de espectroscopia fotoelectrónica de rayos X en la línea de luz de la fuente de luz suiza SLS en PSI. Por otro lado, utilizaron mediciones de impedancia electroquímica operando en un banco de pruebas de pilas de combustible.
La combinación de los resultados experimentales con modelos teóricos desarrollados en la Universidad de Viena (Austria) permitió a los investigadores identificar y describir en detalle los mecanismos subyacentes.
Papel clave de los óxidos superficiales.
Los científicos pudieron visualizar y analizar químicamente el cátodo en condiciones realistas de la pila de combustible, es decir, durante la reacción electroquímica de reducción de oxígeno. Por primera vez pudieron mostrar cómo se modifica la superficie del cátodo en un ambiente ácido. En concreto, pudieron demostrar que los protones del electrolito ácido reaccionan con el hierro del cátodo para formar óxidos de hierro:estos óxidos de hierro luego reaccionan aún más con las moléculas de ionómero, mejorando la conductividad protónica del cátodo y, por tanto, el rendimiento general del combustible. celúla.
"A medida que el óxido de hierro se forma en la superficie del cátodo, las moléculas de ionómero pueden anclarse mejor a la superficie y están en mejor contacto con la superficie del hierro. Por lo tanto, pueden transportar protones más fácilmente", explica el investigador de PSI y primer autor del artículo. el estudio, Thomas Justus Schmidt.
La comprensión exacta de estos complejos mecanismos puede proporcionar información importante para un mayor desarrollo y optimización de las pilas de combustible, en particular de pilas de combustible de baja temperatura altamente eficientes para el sector de la movilidad y aplicaciones estacionarias.
