Los electrodos ranurados pueden mejorar el rendimiento del protón

LOS ALAMOS, Nuevo México – Las pilas de combustible de membrana de intercambio de protones son una solución energética prometedora para reducir las emisiones de carbono en el sector del transporte. Como sugiere su nombre, estas células contienen una membrana conductora de protones basada en materiales poliméricos que sirve como electrolito.

Si bien los PEMFC podrían tener ventajas notables, su costo, durabilidad y disponibilidad del combustible necesario para operarlos deberán mejorar antes de que puedan implementarse a gran escala.

Investigadores del Laboratorio Nacional de Los Alamos desarrollaron recientemente nuevos electrodos que podrían mejorar significativamente el rendimiento y la durabilidad de los PEMFC. Estos electrodos, presentados en Nature Energy, tienen una característica conformación ranurada que puede facilitar el transporte tanto de oxígeno como de protones en las pilas de combustible.

“Sabíamos que el rendimiento de los electrodos convencionales estaba limitado por el transporte de especies como oxígeno y protones, y nos inspiramos en el trabajo histórico de nuestros colegas de LANL en la década de 1990, quienes descubrieron cómo combinar un catalizador de platino soportado en carbono con ionómero conductor de protones para lograr importantes mejoras en el rendimiento”, dijo a Tech Xplore Jacob Spendelow, uno de los investigadores que llevó a cabo el estudio.

“Es un poco sorprendente que, 30 años después, los electrodos más modernos sigan utilizando esencialmente la misma estructura. Por lo tanto, nos propusimos rediseñar la estructura utilizando un enfoque de diseño racional para acelerar el transporte de oxígeno y protones”.

Los electrodos ranurados diseñados por Spendelow y sus colegas tienen numerosas crestas a microescala, que consisten esencialmente en un catalizador de platino soportado por carbono, separados por muescas vacías. Debido a su configuración única, pueden dividir el transporte de oxígeno y protones en diferentes partes de su estructura.

"Los electrodos convencionales requieren un transporte mixto de oxígeno y protones a través de todas las partes del electrodo, lo que requiere algunos compromisos en el diseño, ya que el ionómero conductor de protones obstruye el transporte de oxígeno", explicó Spendelow. “Por el contrario, al separar el transporte de oxígeno y de protones, el diseño del electrodo ranurado permite que partes del electrodo (las ranuras) se optimicen para el transporte de oxígeno, mientras que otras partes (las crestas) se optimizan para el transporte de protones. Este enfoque de 'divide y vencerás' permite un transporte más rápido y un mayor rendimiento”.

Los investigadores evaluaron sus electrodos ranurados en una serie de pruebas realizadas en condiciones operativas estándar para pilas de combustible. Descubrieron que su rendimiento era hasta un 50% mejor que el de los electrodos convencionales, y que podían facilitar el transporte de oxígeno y mejorar la uniformidad de las reacciones químicas. Además, los electrodos ranurados parecían ser más duraderos que sus homólogos convencionales, ya que su rendimiento no disminuyó tanto después de una prueba de corrosión con carbono.

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