Una nueva celda de combustible de polímero de alta temperatura que opera entre 80 y 160 grados centígrados, con una densidad de potencia nominal más alta que las celdas de combustible de última generación, resuelve el antiguo problema del sobrecalentamiento, una de las barreras técnicas más importantes para el uso de celdas de combustible de servicio mediano y pesado en vehículos de transporte como camiones y autobuses.
Debido a que las celdas de combustible actuales funcionan a 60-80 C, requieren grandes radiadores y tomas de aire para mantenerse lo suficientemente fríos para funcionar. Para resolver este problema, los científicos del Laboratorio Nacional de Los Álamos desarrollaron una nueva celda de combustible de polímero que opera a temperaturas más altas.
“Las pilas de combustible son dispositivos de conversión de energía que producen electricidad mediante la combinación electroquímica de hidrógeno y oxígeno del aire. Al igual que otros vehículos eléctricos, los vehículos de pila de combustible son vehículos de cero emisiones; no tienen emisiones de escape relacionadas con el smog o los gases de efecto invernadero”, dijo Yu Seung Kim, del grupo de Dispositivos Integrados y Síntesis de Materiales de Los Álamos. "Además, el hidrógeno se puede producir a partir de diversos recursos domésticos con el potencial de cero emisiones de gases de efecto invernadero".
Las celdas de combustible de hidrógeno son una buena opción para el transporte por carretera de servicio mediano y pesado, incluidos camiones y autobuses, y también tienen aplicaciones marítimas, ferroviarias y de aviación.
La electrificación del futuro transporte pesado y mediano, ya sea con baterías o celdas de combustible de hidrógeno, es necesaria dados los esfuerzos globales para reducir las emisiones en el transporte. En comparación con los vehículos que funcionan con baterías, las celdas de combustible ofrecen un abastecimiento de combustible rápido y un almacenamiento de combustible adecuado para aplicaciones de largo alcance.
Durante varias décadas, los investigadores han explorado las celdas de combustible que pueden operar por encima de 100 C que permiten sistemas de celdas de combustible más simples a través de una mejor gestión del calor y el agua. Si bien se necesita trabajo adicional para establecer la durabilidad requerida para aplicaciones de servicio pesado, esta investigación brinda una solución para fabricar celdas de combustible de alto rendimiento en condiciones cálidas y secas.
Los avances en la tecnología de celdas de combustible también respaldan la iniciativa Intermountain West Energy Sustainability & Transitions (I-WEST) , que está desarrollando una hoja de ruta tecnológica para la transición del oeste de los Estados Unidos a un sistema energético económicamente sostenible y sin emisiones de carbono. La hoja de ruta delineará formas para que los estados de Intermountain West enfrenten los desafíos, aprovechen las oportunidades y construyan una estrategia de transición energética equitativa.
Las celdas de combustible de membrana de electrolito de polímero de alta temperatura convencionales utilizan ácido fosfórico como electrolito en el electrodo. En esta investigación, el equipo de Los Álamos diseñó un electrolito polimérico compuesto por un polímero fosfonado y un ácido perfluorosulfónico. En esta estructura electrolítica compuesta, el equipo descubrió que un protón del ácido perfluorosulfónico se transfiere al polímero fosfonado y mejora drásticamente la conductividad del protón. Al implementar el electrolito de polímero compuesto, los investigadores pudieron lograr una densidad de potencia nominal de casi 800 milivatios por centímetro cuadrado de la celda de combustible a 160 C, lo que representa una mejora del 60 por ciento de las celdas de combustible a base de ácido fosfórico.
El artículo Electrodos de ácido fosfónico protonado para celdas de combustible de membrana de electrolito de polímero de alta temperatura de par iónico se ha publicado en Nature Energy.
Esta investigación es el resultado de la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada-Energía (ARPA-E) del Departamento de Energía (DOE), un esfuerzo destinado a desarrollar innovadoras celdas de combustible de electrolito polimérico de alta temperatura para aplicaciones de transporte. Esta investigación también apoya a la Oficina de Tecnologías de Pilas de Combustible e Hidrógeno y Energía Renovable y Eficiencia Energética del DOE (EERE-HFTO) "L'innovator", un programa respaldado por la Oficina de Tecnologías de Pilas de Combustible e Hidrógeno del DOE para acelerar la comercialización de hidrógeno y pilas de combustible innovadores, tecnologías desarrolladas en laboratorios nacionales para permitir una sólida base de suministro e industria nacional de hidrógeno y celdas de combustible.
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