Crédito: Energía aplicada (2025). Doi: 10.1016/j.apenergy.2025.125760
Las celdas de combustible de hidrógeno convierten el hidrógeno y el oxígeno en electricidad, calor y agua. Debido a que este proceso de conversión no genera ninguna emisión de carbono, las celdas de combustible se consideran una valiosa fuente de energía verde que podría ser clave para abordar el cambio climático.
Sin embargo, hay un obstáculo en el camino de su uso en aplicaciones a gran escala, lo que impulsa los camiones eléctricos para el transporte de larga distancia, por ejemplo, o reemplazar los generadores diesel para proporcionar electricidad en las comunidades remotas del norte. Las celdas de combustible actuales han alcanzado un techo en la cantidad de electricidad que pueden generar porque su estructura interna no puede manejar adecuadamente todo el agua que las células crean como un subproducto.
Investigadores del Departamento de Ingeniería Mecánica e Industrial de la Universidad de Toronto buscaron una fuente novedosa cuando estaban haciendo una lluvia de ideas para ideas para mejorar el diseño de los canales, llamados “campos de flujo”, que el agua directa dentro de la célula. Su trabajo se publica en la revista Applied Energy.
Doctor en Filosofía. El estudiante Eric Chadwick dice que, en lugar de comenzar desde cero, recurrió a la naturaleza para inspirarse (“biomimética”). “En lugar de tratar de crear un diseño nuevo, decidí mirar hacia la naturaleza, ya que a menudo algún organismo ya ha optimizado, a través de una evolución, un proceso”.
En este caso, el proceso estaba moviendo agua en una sola dirección. Encontró evidencia de esto en la piel de los lagartos y las hojas de ciertas plantas. “Los lagartos que viven en climas secos y áridos tienen escamas que han evolucionado para atrapar la condensación del aire y canalizarla a sus ojos y boca”, dice Chadwick. “Del mismo modo, en ciertos tipos de hojas, las venas capturan agua y lo mueven a puntas de las hojas para que se caiga, para que las raíces puedan absorberla”.
Él y su equipo incorporaron estos patrones de la naturaleza a los canales dentro de su nueva celda, para mover el agua de manera más efectiva de la capa porosa dentro de la célula al exterior de la célula.
Utilizando la fuente de luz canadiense en la Universidad de Saskatchewan, Chadwick y sus colegas descubrieron que el diseño inspirado en la naturaleza resultó en un aumento del 30% en la densidad de potencia máxima que podrían alcanzar en la celda de combustible, en comparación con los diseños existentes. El nuevo diseño celular mostró una distribución más uniforme del agua dentro de la célula, sin acumulación, lo que también significó una distribución más pareja de los reactivos (oxígeno e hidrógeno), “por lo que la celda de combustible está utilizando el catalizador (platino) de manera más efectiva”.
Los investigadores también encontraron que, debido a que el nuevo diseño eliminaba el exceso de agua líquida de la capa porosa, los canales sirvieron como vías adicionales para que más reactivo llegaran a la capa de catalizador.
Con las radiografías de alta energía en el CLS, Chadwick y el equipo pudieron generar imágenes de sección transversal ricamente detalladas de su nueva celda de combustible mientras funcionaba. “Pudimos ver exactamente a dónde va el agua, cuánto queda en la celda, con los diferentes diseños que probamos”, dice Chadwick.
“En el diseño antiguo, solíamos tener esta distribución heterogénea del agua. Ahora tenemos una capa de agua mucho más homogénea, lo que a su vez significa que tenemos una distribución mucho más homogénea de los reactivos y estamos utilizando el catalizador en la celda de combustible de manera mucho más efectiva e igualia”.
El siguiente paso, dice Chadwick, será construir y probar una celda más grande. Él y su equipo usarán modelado de computadora para determinar cómo adaptar sus diseños para un sistema grande. “Tomamos estos diseños de la naturaleza y los optimizamos, pero siempre hay espacio para más (mejora).” Creo que el modelado realmente podría ayudar a este trabajo y conducirlo en el campo “.
“Lo que me parece realmente satisfactorio y realmente interesante sobre esto, es que podemos tomar estos diseños directamente de la naturaleza y usarlos para, de alguna manera, ayudarnos a disminuir nuestro impacto en la naturaleza”.
Más información: Eric A. Chadwick et al, los canales auxiliares biomiméticos mejoran el suministro de oxígeno y la eliminación de agua en celdas de combustible de membrana de electrolitos de polímero, energía aplicada (2025). Doi: 10.1016/j.apenergy.2025.125760
Proporcionado por la fuente de luz canadiense
Cita: las hojas de la planta inspiran el diseño de celdas de combustible mejoradas (2025, 22 de abril) Recuperado el 22 de abril de 2025 de https://techxplore.com/news/2025-04-fuel-cell.html
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