Un equipo de investigación dirigido por Atsushi Noro de la Universidad de Nagoya en Japón ha anunciado un concepto de diseño novedoso para un electrolito de pila de combustible que utiliza un polímero de ácido fosfónico con un espaciador de hidrocarburo. Este concepto innovador permite que las pilas de combustible funcionen eficazmente en condiciones de alta temperatura (más de 100 °C) y baja humedad, abordando barreras críticas para su uso más amplio. El estudio fue publicado Materiales poliméricos aplicados ACS..
Al hacer reaccionar electroquímicamente hidrógeno y oxígeno, las pilas de combustible producen electricidad mientras emiten solo agua, lo que resalta su potencial de energía limpia. Sin embargo, los polímeros de ácido perfluorosulfónico, un tipo de sustancias perfluoroalquiladas (PFAS) comúnmente utilizadas en las pilas de combustible, están provocando una reacción. La presencia de PFAS en el medio ambiente y su acumulación en organismos vivos ha dado lugar a medidas regulatorias en muchos países.
A diferencia de los PFAS, los polímeros de hidrocarburos de ácido fosfónico no contienen flúor, lo que hace que sea menos probable que persistan en el medio ambiente. Estos polímeros también exhiben una estabilidad química moderada en condiciones de alta temperatura y baja humedad. A pesar de estas ventajas, la mala conductividad y la naturaleza hidrófila de los grupos de ácido fosfónico, que atraen agua, limitan su uso, que puede disolverse en ambientes húmedos.
Para superar estos desafíos, Noro introdujo un espaciador hidrofóbico entre la cadena principal del polímero y los grupos de ácido fosfónico del polímero de hidrocarburo de ácido fosfónico. Esto permite la insolubilidad en agua, la estabilidad química y la conductividad moderada, incluso a altas temperaturas y baja humedad. Además, el espaciador hidrófobo repele eficazmente el agua, lo que garantiza que se mantenga la estabilidad del material.
La nueva membrana mostró una insolubilidad en agua significativamente mayor en agua caliente en comparación con las membranas disponibles comercialmente de poliestireno ácido fosfónico sin espaciadores hidrófobos y poliestireno sulfonado reticulado.
“En condiciones de 120°C y 20% de humedad relativa, la conductividad de la membrana mejorada alcanzó 40 veces mayor que la de la membrana de poliestireno ácido fosfónico y 4 veces mayor que la de la membrana de poliestireno sulfonado reticulado”, dijo Noro.
“Encontrar una pila de combustible que funcione en condiciones de baja humedad y alta temperatura ofrece muchas ventajas para los vehículos de pila de combustible”, continuó Noro. “En primer lugar, las reacciones en los electrodos de una pila de combustible se desarrollan más rápidamente a temperaturas más altas, lo que aumenta el rendimiento general de la pila de combustible y mejora la eficiencia de la generación de energía. En segundo lugar, la toxicidad del electrodo por monóxido de carbono (CO) como rastro La cantidad de CO en el combustible de hidrógeno es menor a temperaturas más bajas, lo que permite un diseño más simple del sistema de enfriamiento. y sin humedad externa, más ligero y más Permite sistemas compactos”.
Esta investigación fue apoyada por la Organización para el Desarrollo de Nuevas Energías y Tecnología Industrial (NEDO). Según la hoja de ruta de NEDO para el desarrollo de tecnologías de pilas de combustible e hidrógeno, el concepto de diseño propuesto para la membrana de electrolito presentado en este estudio marca una contribución importante al desarrollo de pilas de combustible de próxima generación que apoyan la transición a una sociedad con emisiones netas de carbono cero. Se han presentado solicitudes de patente para materiales relacionados con el concepto de diseño propuesto en Japón y varios otros países.