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Mejores pilas de combustible para portátiles
Las baterías son la pesadilla de los usuarios de electrónica de consumo. Proporcionan solo una cantidad limitada de energía, tardan horas en recargarse y, con el tiempo, se vuelven menos duraderas. Durante años, los ingenieros han estado considerando las pilas de combustible, dispositivos que producen electricidad mezclando un combustible con moléculas de oxígeno, como una fuente de alimentación alternativa de mayor duración. Pero la tecnología siempre ha encontrado obstáculos que la impiden ser tan práctica y rentable como las baterías.
Ahora, los investigadores del Instituto de Biodiseño de la Universidad Estatal de Arizona en Tempe han desarrollado una técnica que podría ayudar a fabricar mejores celdas de combustible para computadoras portátiles, dispositivos de comunicación de grado militar y, potencialmente, teléfonos celulares. En una investigación presentada ayer en la reunión de la American Chemical Society en San Francisco, Dominic Gervasio, profesor asociado en el Centro de Nanobiociencia Aplicada del Estado de Arizona, y su equipo demostraron que al agregar una sustancia química que se encuentra en el anticongelante al borohidruro de sodio, un líquido que se usa para almacenar el hidrógeno, la molécula que alimenta las pilas de combustible, pueden hacer una pila de combustible de mayor duración. El combustible resultante podría alimentar una computadora portátil el doble de tiempo que cualquier batería del mercado, al tiempo que permite el funcionamiento a temperatura ambiente, a diferencia de muchas otras celdas de combustible.
Las celdas de combustible para dispositivos portátiles han ido ganando terreno en los últimos años a medida que la tecnología detrás de ellas ha mejorado constantemente. De hecho, ahora han ido más allá de los laboratorios de investigación y se han abierto camino hacia diversas formas de producción. Millennium Cell, una empresa con sede en Eatontown, Nueva Jersey, suministra pilas de combustible para aplicaciones militares. Y para fin de año, Medis Technologies, con sede en Nueva York, planea ofrecer un dispositivo de celda de combustible para el consumidor diseñado para recargar instantáneamente baterías estándar en teléfonos celulares, reproductores MP3 y computadoras portátiles.
El borohidruro de sodio, la solución utilizada por Millennium Cell, Medis y el equipo del estado de Arizona se está convirtiendo en una opción popular para almacenar hidrógeno para celdas de combustible portátiles, dice Gervasio. Una razón es que se usa con el diseño de celda de combustible más establecido. Este tipo de pila de combustible funciona combinando hidrógeno con oxígeno del aire para producir corriente eléctrica. Además, los sistemas que usan borohidruro de sodio pueden fabricarse tan pequeños como las baterías convencionales porque la solución almacena una gran cantidad de hidrógeno en un volumen pequeño. Además, es un líquido relativamente seguro que no es inflamable. Podrías tomar un fósforo y apagarlo, dice Gervasio.
Pero para tener éxito como reemplazo de las baterías, estas celdas de combustible deben demostrar ser significativamente mejores que las baterías que pretenden reemplazar, dice Gervasio. Actualmente, la mayoría de las celdas de combustible de borohidruro de sodio producen solo un poco más de energía eléctrica por volumen de combustible que las baterías convencionales, dice. Para aumentar el rendimiento de su sistema de celda de combustible, Gervasio y su equipo sabían que necesitaban aumentar la cantidad de hidrógeno disponible para la celda de combustible a partir de la solución de borohidruro de sodio.
Los sistemas de micro celdas de combustible generalmente contienen tres partes: un cartucho de combustible, una cámara de hidrólisis donde se extrae el hidrógeno del combustible líquido y una celda de combustible donde el hidrógeno se mezcla con el oxígeno, creando electricidad. En el sistema de investigadores del estado de Arizona, se bombea una mezcla de agua y borohidruro de sodio desde el cartucho a la cámara de hidrólisis, que contiene un catalizador. El catalizador desencadena una reacción química que libera hidrógeno de la solución de borohidruro de sodio, y también crea subproductos que se bombean fuera de la cámara y regresan al cartucho de combustible para desecharlos más tarde.
Parecería lógico que el aumento de la concentración de borohidruro de sodio aumentaría la producción de hidrógeno y haría un sistema de pila de combustible de mejor rendimiento. Sin embargo, dice Gervasio, hay un problema oculto con este escenario. Uno de los subproductos de la reacción de hidrólisis es el óxido de boro, un compuesto que no se disuelve fácilmente en agua. Entonces, cuando aumenta la concentración de borohidruro de sodio, también lo hace la concentración de óxido de boro sólido, que atasca el sistema de bombeo, lo que limita la cantidad de borohidruro de sodio que se puede usar, dice Gervasio.
Para abordar este problema, Gervasio y su equipo probaron disolventes que disuelven el óxido de boro. Descubrieron que al agregar etilenglicol a la solución de hidruro de boro, podrían usar una concentración de borohidruro de sodio 50 por ciento más fuerte que una sin etilenglicol en la solución, lo que aumenta la cantidad de hidrógeno que se puede almacenar y liberar, sin producir los grumos no deseados. de óxido de boro. La diferencia, dice Gervasio, es un sistema de pila de combustible que puede alimentar un dispositivo aproximadamente dos veces más que una batería del mismo tamaño y peso.
El etilenglicol es útil no solo por su capacidad para disolver el óxido de boro, sino también para controlar la temperatura del agua en la celda de combustible, agrega Gervasio. El etilenglicol reduce el punto de congelación y aumenta el punto de ebullición del agua en las pilas de combustible, al igual que lo hace en el anticongelante del sistema de refrigeración de un automóvil. Un punto de congelación reducido evita que el agua en la solución de borohidruro de sodio se convierta en hielo en un día frío, mientras que un punto de ebullición mayor podría mantener el sistema funcionando mejor a temperaturas más altas.
De hecho, la gestión del calor es un aspecto de la tecnología de celdas de combustible que los ingenieros deben considerar al diseñar celdas de combustible eficientes, dice Jack Brouwer, director asociado del Centro Nacional de Investigación de Celdas de Combustible de la Universidad de California, Irvine. Y siente que la investigación del estado de Arizona es un trabajo realmente interesante en ese sentido.
John Battaglini, vicepresidente de ventas, marketing y gestión de productos de Millennium Cell, dice que su empresa ha adoptado enfoques similares en el desarrollo de pilas de combustible; y agrega que está contento de ver a más personas mirando el borohidruro de sodio y espera que esto conduzca a otros avances en el futuro.
En este momento, el equipo de Gervasio está analizando diferentes tipos de aditivos de alcohol que disuelven el óxido de boro tan bien o mejor que el etilenglicol. Estima que podrían pasar unos cinco años antes de que su sistema se incorpore a una computadora portátil de consumo. Pero la pelota está rodando: ha solicitado una serie de patentes sobre la tecnología y está en conversaciones con los fabricantes de dispositivos sobre sus avances recientes. Tengo muchas esperanzas en esto, dice.