Las simulaciones de mecánica cuántica revelan el impacto de la temperatura en la eficiencia de conversión de energía en las células electroquímicas. Crédito: Liam Krauss/Llnl Grand Challenge Graphics Support
Al dividir las moléculas de agua, las celdas de combustible pueden convertir la electricidad en combustible de hidrógeno. Corriendo en la dirección opuesta, consumen combustible de hidrógeno para alimentar limpiamente múltiples sectores. Por lo general, el calor es un ingrediente clave para lograr una alta eficiencia de conversión de energía que puede superar los motores basados en la combustión.
Pero al igual que una tubería de goteo, las celdas de combustible pueden filtrar la eficiencia. En un estudio publicado en PRX Energy, los científicos del grupo de simulación cuántica de Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) revelaron cómo las altas temperaturas de funcionamiento podrían aumentar las fuentes eléctricas en un material de celda de combustible ampliamente estudiado.
“Tradicionalmente, los modelos no explican completamente las vibraciones inducidas por la temperatura”, dijo Shenli Zhang, físico de LLNL y primer autor del estudio. “Pero nuestros cálculos muestran que este efecto está lejos de ser insignificante, especialmente para las temperaturas de operación superiores a 600 Kelvin que son típicas para estas células”.
El papel se sumerge profundamente en el mundo microscópico del circonato de bario, un electrolito de óxido sólido común, utilizando simulaciones de mecánica cuántica de última generación. Dentro de este electrolito, el equipo buscó electrones y los agujeros que dejan después de escapar de un átomo.
“No queremos los electrones o agujeros de transporte dentro de la celda porque esto consume la energía de entrada pero no contribuye al proceso de conversión de energía”, dijo Zhang. “Este proceso disminuye la eficiencia de conversión de energía de la célula, por lo que queremos evitarla”.
Con sus simulaciones, el equipo examinó las vibraciones de la red en la estructura atómica del material electrolítico. Las vibraciones de alta temperatura empujaron la banda de valencia de los electrones hacia arriba, esencialmente acercando las partículas cargadas negativamente a escapar. Los investigadores observaron cuatro veces más agujeros cargados positivamente en el sistema cuando se explican temperaturas más altas, lo que significa que cuatro veces más electrones inútiles escaparon.
Al ajustar los parámetros del modelo, el grupo desarrolló un protocolo de simulación para estimar el número de electrones y agujeros en función de la temperatura.
“Estas ideas nos ayudan a cuantificar cuánta fuga eléctrica están vinculadas a la temperatura, y nos dan un mejor manejo del diseño de materiales u condiciones de funcionamiento para minimizar esas pérdidas”, dijo el coautor Joel Varley, científico y plomo del proyecto LLNL.
Mirando hacia el futuro, los científicos tienen como objetivo extender el trabajo a otros materiales electrolíticos de óxido sólido y acelerar el proceso con potenciales de aprendizaje automático.
Más información: Shenli Zhang et al, renormalización de electrones-fonones en el electrolito que conduce protones 3 y sus implicaciones para la electrólisis de alta temperatura, energía PRX (2025). Doi: 10.1103/prxEnergy.4.013013
Proporcionado por Lawrence Livermore Laboratorio Nacional
Cita: un tema candente: Cómo el aumento de la temperatura impulsa la pérdida de energía en las celdas de combustible (2025, 8 de mayo) Recuperado el 8 de mayo de 2025 de https://techxplore.com/news/2025-05-hot-topic-toperature-energy-loss.html
Este documento está sujeto a derechos de autor. Además de cualquier trato justo con el propósito de estudio o investigación privada, no se puede reproducir ninguna parte sin el permiso por escrito. El contenido se proporciona solo para fines de información.
