La membrana electroquímica, mostrando la textura de la rejilla metálica en su superficie. La estabilización de la membrana con esta rejilla ha permitido a los científicos de materiales de Harvard escalar con éxito la tecnología a una escala práctica, permitiendo aplicaciones de energía limpia. Crédito:Shriram Ramanathan.
(PhysOrg.com) - Los científicos de materiales de la Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas de Harvard (SEAS) y SiEnergy Systems LLC han demostrado la primera celda de combustible de óxido sólido de película delgada a macroescala (SOFC).
Si bien las SOFC han trabajado anteriormente a microescala, esta es la primera vez que un grupo de investigación ha superado los desafíos estructurales de escalar la tecnología a un tamaño práctico con una potencia de salida proporcionalmente mayor.
Reportado en línea el 3 de abril en Nanotecnología de la naturaleza , La demostración de esta SOFC completamente funcional indica el potencial de las pilas de combustible electroquímicas para ser una fuente viable de energía limpia.
"El gran avance en este trabajo es que hemos demostrado una densidad de potencia comparable a la que se puede obtener con membranas diminutas, pero con membranas que son un factor de un centenar más grandes, demostrando que la tecnología es escalable, "dice el investigador principal Shriram Ramanathan, Profesor Asociado de Ciencia de Materiales en SEAS.
Las SOFC crean energía eléctrica a través de una reacción electroquímica que tiene lugar a través de una membrana ultrafina. Esta membrana de 100 nanómetros, que comprende el electrolito y los electrodos, tiene que ser lo suficientemente delgado para permitir que los iones pasen a través de él a una temperatura relativamente baja (que, para pilas de combustible cerámicas, se encuentra en el rango de 300 a 500 grados Celsius). Estas bajas temperaturas permiten una puesta en marcha rápida, un diseño más compacto, y menor uso de materiales de tierras raras.
Una oblea de membrana de celda de combustible de óxido sólido completamente funcional. La superficie estructurada de cada chip cuadrado brinda estabilidad a la película increíblemente delgada que se utiliza para la membrana electroquímica. Crédito:Shriram Ramanathan.
Hasta aquí, sin embargo, Las películas delgadas se han implementado con éxito solo en micro-SOFC, donde cada chip en la oblea de la celda de combustible tiene aproximadamente 100 micrones de ancho. Para aplicaciones prácticas, como el uso en fuentes de energía compactas, Las SOFC deben ser unas 50 veces más anchas.
Las membranas electroquímicas son tan delgadas que crear una en esa escala equivale aproximadamente a hacer una hoja de papel de 16 pies de ancho. Naturalmente, los problemas estructurales son importantes.
"Si crea una membrana delgada convencional a esa escala sin una estructura de soporte, no puedes hacer nada, simplemente se romperá, "dice el coautor Bo-Kuai Lai, becario postdoctoral en SEAS. "Tú haces la membrana en el laboratorio, pero ni siquiera puedes sacarlo. Simplemente se hará añicos ".
Con el autor principal Masaru Tsuchiya (Ph.D. '09), un ex miembro del laboratorio de Ramanathan que ahora está en SiEnergy, Ramanathan y Lai fortificaron la membrana de película delgada utilizando una rejilla metálica que parece una malla de gallinero a nanoescala.
La microscopía electrónica de barrido revela la superficie estructurada de la membrana electroquímica. El equipo de Ramanathan encontró círculos y hexágonos para proporcionar la estructura más estable. Crédito:Shriram Ramanathan.
El diminuto panal de metal proporciona el elemento estructural crítico para la gran membrana al mismo tiempo que sirve como colector de corriente. El equipo de Ramanathan pudo fabricar chips de membrana de 5 mm de ancho, combinando cientos de estos chips en obleas SOFC del tamaño de la palma de la mano.
Si bien los intentos anteriores de otros investigadores de implementar la rejilla metálica mostraron un éxito estructural, El equipo de Ramanathan es el primero en demostrar una SOFC completamente funcional a esta escala. La densidad de potencia de su celda de combustible de 155 milivatios por centímetro cuadrado (a 510 grados Celsius) es comparable a la densidad de potencia de las micro-SOFC.
Cuando se multiplica por el área activa mucho más grande de esta nueva celda de combustible, esa densidad de potencia se traduce en una salida lo suficientemente alta como para ser relevante para la energía portátil.
El trabajo anterior en el laboratorio de Ramanathan ha desarrollado micro-SOFC que son totalmente cerámicos o que utilizan metano como fuente de combustible en lugar de hidrógeno. Los investigadores esperan que el trabajo futuro sobre las SOFC incorpore estas tecnologías en las pilas de combustible a gran escala, mejorando su asequibilidad.
En los próximos meses, explorarán el diseño de nuevos ánodos nanoestructurados para combustibles alternativos al hidrógeno que sean operables a estas bajas temperaturas y trabajarán para mejorar la estabilidad microestructural de los electrodos.
