Científicos de la Universidad Michigan Tech estadounidense han presentado una nueva pila de combustible sólido superestructurada con carbonato (CSSFC), que mejora las prestaciones y permite una amplia gama de usos potenciales.
Una pila de combustible es un dispositivo electroquímico que convierte la energía química de un combustible en energía eléctrica de forma directa y eficiente, sin producir emisiones contaminantes. Para lograr esto, se utilizan un combustible y un comburente, junto con tres elementos principales: el electrodo, el electrolito y las placas bipolares.
El hidrógeno es comúnmente utilizado como combustible y el oxígeno como comburente en las pilas de combustible. Y, para que la conversión de energía se produzca, es necesario que intervengan los tres elementos de la pila de combustible.
Los electrodos, tanto el ánodo como el cátodo, son los encargados de generar la reacción de reducción y oxidación. El electrolito, por su parte, es una sustancia que contiene iones y permite el intercambio de los mismos entre el ánodo y el cátodo.
Por último, las placas bipolares se utilizan para separar las celdas de la pila de combustible, dirigir los gases generados y evacuar el agua, que junto con la electricidad son los productos finales del proceso.
Las pilas de combustible son consideradas una tecnología limpia y eficiente, ya que no producen emisiones tóxicas y pueden ser alimentadas con una variedad de combustibles, incluyendo hidrógeno, metano y etanol. Además, las pilas de combustible tienen una alta eficiencia energética, ya que pueden convertir más del 50% de la energía química del combustible en energía eléctrica utilizable.
Sin embargo, su proliferación en la industria, especialmente la del automóvil, se ve limitada por sus altos costes, rendimiento y durabilidad.
La pila de combustible CSSFC
Para intentar solventar estos desafíos, el investigador Yun Hang Hu de la Universidad Tecnológica de Michigan, junto con los estudiantes graduados Hanrui Su y Wei Zhang, han desarrollado una interfaz entre el electrolito y el carbonato derretido que funciona como un canal ultrarrápido para la transferencia de iones de oxígeno.
Con esta nueva técnica, han inventado un nuevo tipo de celda de combustible llamada «celda de combustible sólido superestructurada con carbonato» (CSSFC). Según Hu, esta nueva celda de combustible tiene múltiples usos, como proporcionar energía para vehículos, generar energía doméstica e incluso suministrar energía a centrales eléctricas.
Además, debido a su flexibilidad en cuanto al combustible, las CSSFC tienen mayor durabilidad y eficiencia de conversión de energía a temperaturas de funcionamiento más bajas en comparación con otros tipos de celdas de combustible.
Eliminando costosos procesos intermedios
La mayoría de las celdas de combustible convencionales funcionan con hidrógeno producido a partir de compuestos que contienen hidrógeno, como el metano, mediante un proceso caro llamado reformado. Sin embargo, el CSSFC tiene la capacidad de utilizar directamente metano u otros combustibles de hidrocarburos.
Además, el rendimiento electroquímico de la nueva celda de combustible a temperaturas de funcionamiento más bajas ofrece otras ventajas. «Normalmente, la temperatura de funcionamiento de una celda de combustible de óxido sólido convencional es de 800 ºC o más, porque la transferencia de iones en un electrolito sólido es muy lenta a una temperatura más baja», explica Hu.
«Por el contrario, el electrolito superestructurado del CSSFC puede proporcionar una transferencia de iones rápida a 550 ºC o menos, incluso a 470 ºC». Esta mayor eficiencia a temperaturas más bajas hace que el CSSFC sea una opción más viable y económica para su uso en diversas aplicaciones comerciales.
La temperatura de operación relativamente baja de la nueva celda de combustible CSSFC ofrece una alta eficiencia teórica y menores costes de fabricación en comparación con otras celdas de combustible sólido convencionales.
Según Hu, esto también hace que la celda sea potencialmente más segura de operar. Las pruebas en el CSSFC también demostraron un alto voltaje de circuito abierto (OCV) sin precedentes, lo que sugiere una alta eficiencia de conversión de energía y sin pérdida de fuga de corriente.
Hu estima que la eficiencia del combustible CSSFC podría alcanzar el 60 %, en comparación con la eficiencia de combustible promedio de un motor de combustión que oscila entre el 35 % y el 30 %.
Fuente | Michigan Tech University
