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Enfriamiento de pilas de combustible de óxido sólido
La empresa emergente SiEnergy Systems ha superado una barrera importante para comercializar celdas de combustible de óxido sólido con un prototipo que opera a temperaturas cientos de grados más bajas que las del mercado actual. Trabajando con el profesor de ciencia de los materiales de Harvard Shriram Ramanathan , SiEnergy Systems, con sede en Boston, ha demostrado una celda de combustible de óxido sólido que puede funcionar a 500 grados Celsius, en contraposición a los 800 a 1000 grados requeridos por los dispositivos existentes. Esto permite que la celda, que utiliza un electrolito de película delgada sostenida mecánicamente por una rejilla metálica, sea mucho más grande que los dispositivos similares fabricados antes, del orden de centímetros de área, el tamaño necesario para aplicaciones prácticas, en lugar de micrómetros.
Celdas estables: Este electrolito de pila de combustible ultrafino está estabilizado por una rejilla metálica. La membrana subyacente es visible a través de los orificios redondos de la rejilla, que tienen aproximadamente 100 micrómetros de diámetro cada uno.
Las celdas de combustible de óxido sólido, que pueden hacer funcionar una variedad de combustibles, incluido el diésel o el gas natural, traen oxígeno del aire para reducirlo en el cátodo y luego pasan los iones de oxígeno a través de una membrana de electrolito de óxido sólido al ánodo, donde el combustible se oxida para producir electrones que se extraen del dispositivo. Sus altas temperaturas de funcionamiento están dictadas por el hecho de que los iones se mueven más rápidamente a través del electrolito a temperaturas más altas.
Si el electrolito es muy delgado (solo unos pocos cientos de nanómetros de espesor), una celda de combustible de óxido sólido puede funcionar a temperaturas más bajas. Dichos electrolitos pueden alimentar dispositivos de demostración muy pequeños, pero hasta el trabajo de SiEnergy y Ramanathan, nadie había podido hacer una membrana de óxido sólido ultradelgada lo suficientemente grande para dispositivos prácticos, dice Harry Tuller , profesor de ciencia e ingeniería de materiales en el MIT. El desafío ha sido que las películas, al ser tan delgadas, son frágiles y se rompen fácilmente durante el procesamiento o durante los ciclos de calentamiento y enfriamiento, dice Tuller. Cuando se calientan y enfrían, los diferentes materiales de los que están hechos se expanden y contraen a diferentes velocidades, dañando la delicada película. Nosotros y otros hemos intentado sostener las películas con uno o más soportes estructurales, dice, pero no hemos logrado hacerlo en un área tan grande.
En un artículo publicado en la revista Nanotecnología de la naturaleza , los investigadores describen cómo se hace una membrana de electrolito que es más estable tanto térmica como mecánicamente. Comenzaron con una membrana de electrolito de 100 nanómetros de espesor compuesta de circonio e itrio. Ellos depositaron una rejilla metálica de soporte encima de ella, para mantener la membrana en su lugar mientras se calentaba y enfriaba y, dado que la rejilla estaba hecha de material conductor, para actuar como ánodo. Combinaron esto con un cátodo denso y de alto rendimiento desarrollado previamente por Ramanathan. En su trabajo publicado, SiEnergy ha demostrado conjuntos de pilas de combustible de unos cinco milímetros cuadrados cada una. Ramanathan dice que el método se puede ampliar a las áreas de escala de centímetros necesarias para los dispositivos.
El gerente general de SiEnergy, Vincent Chun, dice que esto es solo una primera demostración y que la compañía ahora está trabajando para integrar las celdas de combustible delgadas en sistemas completos y probar combustibles. Chun espera que las celdas de combustible de la compañía ahorren en costos de materiales porque son muy delgadas. Chun dice que la compañía planea ofrecer reemplazos para generadores diésel y sistemas de generación de energía y calefacción domésticos.