- ¿Cuál es la función de un catalizador en el sistema de pila de combustible?
- ¿Cuáles son las características de un catalizador utilizado en una pila de combustible?
- ¿Cuáles son ejemplos de diferentes catalizadores utilizados en pilas de combustible?
- ¿Qué es la carga de catalizador?
- ¿Qué factores afectan al rendimiento de los catalizadores?
- ¿Cuáles son los modos de fallo de un catalizador de pila de combustible de hidrógeno?
- ¿Cuáles son los diferentes métodos para analizar la vida potencial de un catalizador de pila de combustible?
- Lista de ciertos proveedores de un catalizador de pila de combustible de hidrógeno
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¿Cuál es la función de un catalizador en el sistema de pila de combustible?
Un catalizador es cualquier sustancia que aumenta la velocidad de una reacción química sin sufrir ningún cambio químico permanente. Este proceso se conoce como catálisis. Un catalizador de pila de combustible de hidrógeno facilita la reacción del oxígeno y el hidrógeno (es decir, el combustible). Los catalizadores de las pilas de combustible suelen ser porosos y de textura rugosa para proporcionar más superficie a los reactivos oxígeno e hidrógeno. Las capas de catalizador se encuentran entre las partes más importantes del interior de la pila de combustible, ya que es en su superficie donde se produce la reacción química. Cuanto mayor sea la superficie disponible, mayor será la velocidad de reacción. Estas capas de catalizador porosas se pueden fabricar mediante pirólisis, que implica calentar los materiales de origen por encima de sus temperaturas de descomposición en un entorno adecuado.
Se utilizan varios tipos de catalizadores de hidrógeno en diferentes tipos de pilas de combustible. Los catalizadores se encuentran entre los principales factores determinantes de los costes en la fabricación y aplicación de las pilas de combustible. También pueden ser vulnerables a determinados gases u otras sustancias a las que está expuesta la pila de combustible y, por tanto, pueden ser necesarias medidas adicionales para proteger el catalizador de la descomposición o deformación perjudicial.
¿Cuáles son las características de un catalizador utilizado en una pila de combustible?
- El catalizador de la pila de combustible de hidrógeno no cambia durante la reacción química que está acelerando.
- El catalizador de las pilas de combustible de hidrógeno ayuda a descomponer las moléculas en protones y electrones.
- Solo se requiere una pequeña cantidad de catalizador.
- El catalizador no cambia la constante de equilibrio de la reacción.
- El catalizador no hace posibles las reacciones imposibles y no inicia la reacción.
- El catalizador muestra una actividad máxima a una temperatura específica conocida como temperatura óptima.
¿Cuáles son ejemplos de diferentes catalizadores utilizados en pilas de combustible?
- Catalizador de celdas de combustible PEM: en una celda de combustible PEM (membrana de intercambio de protones), se utilizan metales de tierras raras inertes como catalizadores. El platino es el material catalizador más utilizado y su uso ha sido uno de los factores que determinan el costo de fabricación y aplicación de celdas de combustible PEM. Sin embargo, el platino como catalizador es susceptible a la descomposición en presencia de monóxido de carbono, por lo que exponerlo a este gas reduce permanentemente la cantidad de material catalítico disponible para acelerar la reacción en la celda de combustible. Esto se denomina envenenamiento de la celda de combustible y es un riesgo conocido para los sistemas de combustible. Los desarrollos recientes que introducen otros materiales como el carburo de molibdeno en la estructura de la membrana o introducen un reactor adicional han llevado a una reducción significativa de este riesgo.
- Catalizadores de celdas de combustible alcalinas: en las celdas de combustible alcalinas (AFC), se utilizan metales no preciosos como material catalítico. Estos metales suelen ser níquel, níquel poroso y aleaciones de níquel.
- Catalizadores de celdas de combustible de ácido fosfórico (PAFC): en una celda de combustible de ácido fosfórico, se utiliza platino como catalizador. Los efectos económicos de utilizar este catalizador son similares a los descritos anteriormente para las pilas de combustible PEM.
- Catalizadores MCFC (pilas de combustible de carbonato fundido): el ánodo y el cátodo están basados en níquel en las pilas de combustible de carbonato fundido. El níquel en el ánodo y el cátodo proporciona propiedades catalíticas en este tipo de pila de combustible. La alta temperatura de trabajo elimina la necesidad de un catalizador de metal precioso.
- Catalizador SOFC: el níquel es el catalizador que acelera la reacción en las pilas de combustible de óxido sólido. Este catalizador también debe protegerse de la degradación por azufre y de que se vuelva grueso (formando granulados), ya que esto reduce el área de superficie disponible para acelerar la reacción. Para evitar el crecimiento de gránulos de níquel, se utiliza el nanomaterial YSZ (zirconia estabilizada con itrio).
- Catalizador DMFC (pilas de combustible de metanol directo): en las pilas de combustible de metanol directo, se utilizan platino y rutenio como catalizadores. Se están realizando investigaciones para agregar hierro y níquel a los catalizadores con el fin de reducir aún más el costo y el rendimiento de este tipo de pilas de combustible.
- Catalizador DLFC (pila de combustible de combustible líquido directo): en este tipo de pila de combustible se utiliza platino como catalizador principal. Para evitar la intoxicación por monóxido de carbono, se puede introducir un elemento secundario como rutenio, estaño, tungsteno o renio.
¿Qué es la carga de catalizador?
La carga se refiere al proceso de aplicación del catalizador en la membrana de la celda de combustible o área de interacción con los reactivos. Normalmente se realiza de dos formas:
- Carga de media
- Carga densa
Las ganancias de eficiencia en la carga del catalizador de la celda de combustible de hidrógeno han reducido los costos de las celdas de combustible en los últimos 20 años. Esto ha ayudado a mejorar la densidad de potencia y la durabilidad de la celda. Por ejemplo, también ha permitido un uso más eficiente del platino como catalizador.
En 2021, la carga de platino en el ánodo en una celda PEMFC fue de aproximadamente 0,025 mg/cm2, lo que supone una reducción significativa en comparación con aproximadamente 1 mg/cm2 alcanzable en el año 2000. Esto ha reducido el costo de producción de las celdas de combustible en consecuencia. Dado que el precio del platino está entre 40 y 60 $/mg, esto puede llevar a una reducción del costo de fabricación de aproximadamente 800 USD en un vehículo de carretera con celda de combustible.
¿Qué factores afectan al rendimiento de los catalizadores?
- Sinterización/desaleación del catalizador
- Corrosión del soporte del catalizador (sustrato)
- Tensión mecánica
- Contaminación
- Cambio en la hidrofobicidad de los materiales
¿Cuáles son los modos de fallo de un catalizador de pila de combustible de hidrógeno?
- Pérdida de activación
- Pérdida de conductividad
- Disminución de la velocidad de transporte del reactante
- Pérdida de tolerancia al reformado
- Disminución del control de la gestión del agua
¿Cuáles son los diferentes métodos para analizar la vida potencial de un catalizador de pila de combustible?
- Ciclos potenciales
- Lavado con ácido
- Elevación de la temperatura
- Contaminantes combustibles/oxidantes admisibles
Lista de ciertos proveedores de un catalizador de pila de combustible de hidrógeno
Estos fabricantes ofrecen un catalizador para pilas de combustible de hidrógeno:
- 3M
- Amalyst Ltd
- Cataler Corporation
- Clariant
- ENY-Mobility GmbH
- Genport srl
- Heraeus
- Genport srl
- HIAT
- James Cropper
- Johnson Matthey
- Nisshinbo Holding
- Riogen Inc
- Sainergy Fuel Cell India Pvt Ltd
- SiM Composites, Inc
- Tanaka Precious Metals
- TFP Hydrogen Products & Technical Fibre Products Ltd. (pertenece a James Cropper) (pertenece a James Cropper)
- Umicore
Última actualización: 15.1.2023