Nuevo concepto para electrolitos de polímeros en celdas de combustible sostenibles supera barreras en condiciones de alta temperatura y baja humedad, avanzando hacia objetivos de carbono neto cero.
Un grupo de investigación dirigido por Atsushi Noro en la Universidad de Nagoya, Japón, ha presentado un novedoso concepto de diseño para electrolitos de pilas de combustible. Utilizando un polímero de ácido fosfónico con espaciadores hidrocarbonados, esta innovación permite que las celdas de combustible operen eficazmente en condiciones de alta temperatura (superior a 100°C) y baja humedad, resolviendo barreras clave para su adopción más amplia. Este estudio ha sido publicado en la revista ACS Applied Polymer Materials.
Pilas de combustible: energía limpia con desafíos técnicos
Las pilas de combustible generan electricidad mediante la reacción electroquímica entre el hidrógeno y el oxígeno, con agua como único subproducto, subrayando su potencial como fuente de energía limpia. Sin embargo, los polímeros de ácido perfluorosulfónico, comúnmente usados como electrolitos en estas celdas, plantean problemas medioambientales debido a su naturaleza como sustancias PFAS (sustancias per- y polifluoroalquiladas). Estas sustancias son altamente persistentes en el ambiente y tienden a acumularse en organismos vivos, lo que ha impulsado regulaciones estrictas en varios países.
En contraste, los polímeros hidrocarbonados de ácido fosfónico no contienen flúor, lo que los hace menos dañinos para el medio ambiente. Aunque estos polímeros ofrecen estabilidad química en condiciones adversas de alta temperatura y baja humedad, su conductividad limitada y su naturaleza hidrofílica representan desafíos. Estas características pueden llevar a la disolución en entornos húmedos, restringiendo su uso en aplicaciones prácticas.
Innovación en diseño: espaciadores hidrofóbicos para mejorar el rendimiento
Para superar estas limitaciones, el equipo de Noro introdujo un espaciador hidrofóbico entre la cadena principal del polímero y los grupos de ácido fosfónico. Esta modificación mejoró la insolubilidad en agua, la estabilidad química y la conductividad moderada, incluso bajo condiciones extremas. Además, el espaciador hidrofóbico evitó la absorción excesiva de agua, manteniendo la estabilidad del material en entornos de alta humedad.
El nuevo material mostró una insolubilidad en agua caliente significativamente mayor en comparación con una membrana de ácido fosfónico de poliestireno sin espaciadores hidrofóbicos y con una membrana comercial de poliestireno sulfonado reticulado. En condiciones de 120°C y 20% de humedad relativa, la conductividad de la membrana desarrollada fue 40 veces mayor que la de la membrana de ácido fosfónico de poliestireno y 4 veces mayor que la de la membrana de poliestireno sulfonado reticulado.
Ventajas de operar en alta temperatura y baja humedad
Este avance tiene implicaciones significativas para vehículos impulsados por pilas de combustible. Entre las ventajas más destacadas se incluyen:
- Mayor eficiencia en la generación de energía: Las reacciones en los electrodos de las pilas de combustible son más rápidas a temperaturas elevadas, mejorando el rendimiento general.
- Reducción del envenenamiento por monóxido de carbono (CO): A temperaturas más altas, el CO presente en pequeñas cantidades en el hidrógeno tiene menos probabilidades de adsorberse en el catalizador, protegiendo la eficiencia del sistema.
- Diseño más compacto y ligero: Operar en alta temperatura elimina la necesidad de sistemas externos de humidificación y permite una disipación de calor más eficiente, simplificando el diseño de los sistemas de refrigeración.
Impacto en la transición hacia una sociedad carbono neutral
Este estudio, apoyado por la Organización de Desarrollo de Nuevas Energías y Tecnologías Industriales (NEDO, por sus siglas en inglés), representa un paso crucial hacia el desarrollo de pilas de combustible de próxima generación. Estas tecnologías apoyan la transición hacia una sociedad con emisiones netas de carbono cero. Las patentes relacionadas con este concepto ya se han presentado en Japón y en varios otros países, subrayando su relevancia en la industria global.
Este enfoque innovador no solo aborda desafíos técnicos clave, sino que también abre nuevas posibilidades para el uso generalizado de las pilas de combustible, consolidando su papel como una solución sostenible en el panorama energético global.
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