Nuevo protón

Las pilas de combustible son unidades compactas de conversión de energía que utilizan fuentes de energía limpias como el hidrógeno y las convierten en electricidad mediante una serie de reacciones de oxidación-reducción. Específicamente, las pilas de combustible de membrana de intercambio de protones (PEMFC), una parte integral de los vehículos eléctricos, utilizan membranas conductoras de protones para su funcionamiento. Desafortunadamente, estas membranas adolecen de un equilibrio entre alta durabilidad y alta conductividad iónica, lo que afecta la vida útil y el rendimiento de las PEMFC.

Para superar este problema, los científicos han sintetizado membranas poliméricas de ácido perfluorosulfónico modificadas química y físicamente, como Nafion HP, Nafion XL y Gore-Select, que han demostrado ser mucho más duraderas que las membranas no modificadas empleadas convencionalmente en operaciones con pilas de combustible. Desafortunadamente, ninguna de las membranas conductoras de protones existentes ha cumplido el objetivo técnico altamente desafiante (pasar una prueba de durabilidad acelerada o una prueba química y mecánica combinada) establecido por el Departamento de Energía de EE. UU. (DOE) para facilitar su uso en celdas de combustible de automóviles mediante 2025.

En este contexto, un grupo de investigadores de Japón, dirigido por el profesor Kenji Miyatake de la Universidad de Waseda y la Universidad de Yamanashi, ha sintetizado recientemente nuevas membranas conductoras de protones para PEMFC. Su trabajo, publicado en la revista Science Advances, tiene como coautores al Dr. Liu Fanghua de la Universidad de Waseda y la Universidad de Yamanashi y al Dr. Ick Soo Kim de la Universidad Shinshu.

Los investigadores sintetizaron membranas conductoras de protones utilizando un ionómero aromático parcialmente fluorado (material polimérico formado por resinas termoplásticas estabilizadas mediante enlaces cruzados iónicos) llamado SPP-TFP-4.0 (SPP: polifenileno sulfonado, TFP: bis(trifluorometil)terfenileno). Luego utilizaron el método de recubrimiento por empuje para reforzar el ionómero con nanofibras de poli(fluoruro de vinilideno) (PVDF) electrohiladas, no tejidas e isotrópicas con alta porosidad (78%) o usando politetrafluoroetileno expandido poroso (ePTFE). Esto dio como resultado membranas compuestas, SPP – TFP-4.0 – PVDF y SPP – TFP-4.0 – ePTFE, de espesores de 14 y 16 µm, respectivamente.

Los investigadores realizaron una amplia variedad de pruebas en estas membranas conductoras de protones y demostraron que la reforzada con PVDF era superior. "Superó a la membrana perfluorada Nafion XL, estabilizada químicamente y reforzada físicamente, de última generación, en términos de funcionamiento de pila de combustible y estabilidad química in situ a una temperatura alta de 120°C y una humedad relativa baja del 30%", destaca Miyatake. .

La membrana SPP-TFP-4.0-PVDF demostró una larga vida útil de 148.870 ciclos o 703 horas (más de siete veces más que la del objetivo del DOE) en la prueba de durabilidad acelerada con frecuentes ciclos húmedo-seco en condiciones de voltaje de circuito abierto. Además, exhibió una alta estabilidad química con poca degradación, energía de ruptura estable a diversos niveles de humedad, propiedades mecánicas altamente estables de cero a 60% de humedad relativa a 80°C y excelente rendimiento de la pila de combustible a altas temperaturas (100–120°C).

En efecto, la membrana conductora de protones reforzada a base de polímeros aromáticos propuesta cumple con el objetivo del Departamento de Energía de EE. UU. para futuras pilas de combustible para automóviles, proporcionando una alternativa lucrativa. Por lo tanto, este estudio podría allanar el camino para PEMFC con operabilidad y durabilidad a alta temperatura. "Como resultado, los vehículos eléctricos basados ​​en pilas de combustible pueden volverse más potentes y asequibles. Esto también contribuiría a la realización de una sociedad basada en el hidrógeno y libre de carbono", concluye Miyatake optimista.

¡Nosotros también esperamos que estos vehículos eléctricos altamente eficientes con pilas de combustible potentes, duraderas y sostenibles se conviertan pronto en una realidad!

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Referencia

DOI: https://doi.org/10.1126/sciadv.adg9057

Autores: Fanghua Liu1,2, Ick S. Kim3 y Kenji Miyatake1,4,5

Afiliaciones:

1Centro de Investigación de Energía Limpia, Universidad de Yamanashi

2Organización de investigación para la innovación nano y vital

3Grupo de Investigación de Tecnología de Nano Fusión, Instituto de Ingeniería de Fibras, Grupo Interdisciplinario para Investigación de Vanguardia, Universidad Shinshu

4Centro de Nanomateriales de Pilas de Combustible, Universidad de Yamanashi

5Departamento de Química Aplicada e Instituto de Investigación de Ciencias e Ingeniería, Universidad de Waseda

Acerca de la Universidad de Waseda

Ubicada en el corazón de Tokio, la Universidad de Waseda es una universidad privada líder en investigación que se ha dedicado durante mucho tiempo a la excelencia académica, la investigación innovadora y el compromiso cívico tanto a nivel local como global desde 1882. La Universidad ha producido muchos agentes de cambio a lo largo de su historia, incluidos nueve primeros ministros y muchos líderes en negocios, ciencia y tecnología, literatura, deportes y cine. Waseda mantiene sólidas colaboraciones con instituciones de investigación extranjeras y está comprometida con el avance de la investigación de vanguardia y el desarrollo de líderes que puedan contribuir a la resolución de problemas sociales globales complejos. La Universidad se ha fijado el objetivo de lograr un campus sin emisiones de carbono para 2032, en línea con los Objetivos de Desarrollo Sostenible (ODS) adoptados por las Naciones Unidas en 2015.

Para obtener más información sobre la Universidad de Waseda, visite https://www.waseda.jp/top/en

Acerca del profesor Kenji Miyatake

Kenji Miyatake actualmente se desempeña como profesor en el Centro de Investigación de Energías Limpias de la Universidad de Yamanashi, donde se incorporó como profesor asociado en 2001. También ocupa el cargo de profesor en la Universidad de Waseda, donde recibió su doctorado. Licenciado en química en 1996. Fue becario postdoctoral de la Sociedad Japonesa para la Promoción de la Ciencia en la Universidad McGill de 1999 a 2001. Ha publicado más de 200 artículos de investigación, que han sido citados más de 10.000 veces. También es miembro de la Royal Society of Chemistry.