Investigadores del Instituto Paul Scherrer PSI han desarrollado una técnica de recubrimiento en el laboratorio que podría aumentar la eficiencia de las celdas de combustible. Las celdas de combustible generan electricidad a partir del hidrógeno y el oxígeno. Los gases se transportan a los electrodos de la celda desde el exterior. Sin embargo, en su camino hacia los electrodos, los gases encuentran agua líquida que se produce constantemente en la celda de combustible y debe fluir fuera de la celda. Cuando se acumula demasiada agua, los gases fluyen más lentamente, lo que limita la generación de electricidad ".El recubrimiento recientemente desarrollado garantiza que el agua líquida y los gases fluyan a través de los materiales porosos en las celdas de combustible utilizando canales separados. Esto mejora el rendimiento y la estabilidad de las celdas de combustible ", dice el jefe del estudio, Pierre Boillat, del Laboratorio de Electroquímica.en PSI.
Las celdas de combustible convierten la energía química contenida en los gases en electricidad. La electricidad producida se puede utilizar, por ejemplo, para alimentar un automóvil eléctrico.
El único producto químico de las reacciones que tienen lugar en las celdas de combustible es el agua. El "gas de escape" de un carro de celdas de combustible solo contiene vapor de agua inofensivo.
Los autos con celdas de combustible listos para la producción en serie han estado disponibles desde 2013. Pero los investigadores de todo el mundo continúan trabajando para aumentar la eficiencia de los sistemas de celdas de combustible y reducir sus costos.
El agua limita la producción de electricidad
Un aspecto importante de este trabajo es la eliminación de agua líquida de partes de las celdas de combustible donde no se desea porque interrumpe el flujo del gas. Por ejemplo, el agua se acumula en los poros de lo que se conoce como difusión de gascapa, una capa que generalmente consiste en materiales de fibra de carbono, que entre otras cosas aseguran el transporte y la distribución fina del hidrógeno y el oxígeno a los electrodos de la célula. El agua que se acumula en la capa de difusión de gas obstruye el flujo de los gases y, por lo tanto, restringe el podersalida de la celda.
En las celdas de combustible disponibles comercialmente, las fibras de carbono de la capa de difusión de gas generalmente están recubiertas de manera uniforme con un polímero hidrofóbico que tiene como objetivo permitir que el agua fluya más fácilmente. Con este recubrimiento, el agua se distribuye arbitrariamente en el material, ylos gases a menudo se ven obligados a seguir caminos tortuosos a través de la capa de difusión. Como resultado, los gases solo alcanzan los electrodos lentamente, lo que reduce el rendimiento de las celdas de combustible.
La nueva solución de PSI resuelve el problema mediante la creación de "canales de escorrentía" separados donde se acumula prácticamente toda el agua. En los canales secos restantes, los gases pueden fluir más rápidamente.
Un proceso adecuado para la producción en masa
Los investigadores de PSI ya sabían por experimentos anteriores que lo importante no es solo la cantidad sino también la distribución del agua en la capa de difusión. "Ahora, por primera vez, hemos implementado esta idea en un proceso adecuado para la producción en masa,"explica el estudiante de doctorado de PSI Antoni Forner-Cuenca, quien realizó los experimentos en el laboratorio.
El concepto de los investigadores de PSI es convertir en parte el revestimiento original de polímero repelente al agua en un revestimiento hidrofílico a lo largo de caminos rectos. El agua básicamente es absorbida por esos canales, mientras que las áreas restantes de la capa de difusión de gas permanecen mayormente secas.Los científicos de la ISP ya han solicitado patentar este proceso.
Para crear los canales de agua, los investigadores insertaron moléculas hidrofílicas que atraen el agua en la estructura del polímero original. En primer lugar, tuvieron que tratar el polímero con un haz de electrones para que pudiera unir las moléculas a formaradjunto.
haz de electrones y moléculas hidrofílicas
Esto implica transmitir el haz de electrones a través de una máscara o rejilla metálica para crear dos áreas distintas: en los lugares donde el haz pasa a través de la rejilla, el revestimiento original se puede cambiar más tarde para crear canales hidrofílicos. En los lugares donde el haz lo haceno pasa a través de la rejilla, el polímero original permanece hidrófobo.
En el área cambiada por el haz de electrones, el recubrimiento de polímero original reacciona químicamente con moléculas particulares que lo hacen hidrófilo, creando así vías preferenciales para que el agua líquida se elimine de manera eficiente.
El proceso desarrollado en PSI para unir moléculas funcionales con la ayuda de un haz de electrones es descrito por los investigadores como "injerto de radiación". Es similar al proceso de injerto común en jardinería mediante el cual se injertan plantas valiosas en un tallo extraño pero robustoEn este caso, las moléculas hidrofílicas dan al polímero base las propiedades hidrofílicas deseadas.
Los científicos pudieron demostrar que los canales que crean absorben casi toda el agua. Por el contrario, las otras áreas permanecen casi completamente secas. La prueba fue proporcionada por imágenes de la capa de difusión de gas que los científicosobtenido usando neutrones de la línea de haz ICONO de la fuente de neutrones de espalación SINQ en PSI.
* Este trabajo fue financiado por la Swiss National Science Foundation SNSF número de proyecto: 143432.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Instituto Paul Scherrer PSI . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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