- ¿Qué se entiende por el término soporte de catalizador en el contexto de las pilas de combustible?
- ¿Qué función cumple el soporte de catalizador en las pilas de combustible?
- ¿Cuáles son los materiales comunes que se utilizan para el soporte de catalizador en las pilas de combustible?
- ¿De qué manera un soporte de catalizador de alta calidad puede mejorar el rendimiento de las pilas de combustible?
- ¿El material utilizado en una pila de combustible es relevante para su rendimiento general?
- ¿Cómo contribuye el soporte de catalizador a la durabilidad y vida útil de las pilas de combustible?
- ¿Cómo puede afectar el soporte de catalizador a la rentabilidad de las pilas de combustible?
- ¿Cómo trabajan juntos los catalizadores y los soportes de catalizador en las pilas de combustible de membrana de intercambio de protones?
- ¿Cuál es la relación entre el catalizador, el soporte y el combustible en una pila de combustible?
- ¿Cómo pueden los soportes de catalizador mesoporosos mejorar el rendimiento de la pila de combustible?
- ¿Qué papel desempeña el soporte de catalizador en la reducción de la corrosión por carbono en las pilas de combustible?
- ¿Qué se entiende por el término soporte de catalizador en el contexto de las pilas de combustible? ¿Qué función cumple el soporte de catalizador en las pilas de combustible?
- ¿Cuáles son los materiales comunes que se utilizan para el soporte de catalizador en las pilas de combustible? ¿Qué importancia tiene el material utilizado en una pila de combustible para su rendimiento general y su vida útil?
- ¿Cuáles son algunos de los desafíos que presenta la optimización del soporte del catalizador para las pilas de combustible?
- ¿Cómo pueden los soportes mesoporosos del catalizador mejorar el rendimiento y la vida útil de las pilas de combustible?
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¿Qué significa el término soporte catalizador en el contexto de las pilas de combustible?
Una pila de combustible de membrana de intercambio protónico (PEM) se compone de varios elementos, como placas bipolares, juntas y conjuntos de electrodos de membrana (MEA). El MEA es el componente central que convierte el hidrógeno y el aire (oxígeno) en electricidad que puede utilizarse para propulsar vehículos eléctricos o como fuente de electricidad estacionaria. Un MEA se compone de capas de difusión de gas con o sin capas microporosas, dos capas catalizadoras y una membrana de intercambio de protones como separador. La capa catalizadora suele estar hecha de platino (Pt) con materiales de carbono como soporte del catalizador, y es en la capa catalizadora donde se producen las reacciones electroquímicas para generar electricidad. En resumen, el soporte de la capa catalizadora en las pilas de combustible, que suele ser de carbono, es un material conductor de alta superficie y bajo coste que soporta las nanopartículas de Pt que catalizan las reacciones clave que se producen tanto en el ánodo como en el cátodo.
¿Qué función juega el soporte catalizador en las pilas de combustible?
El soporte del catalizador proporciona los sitios de superficie en los que las nanopartículas catalíticas (por ejemplo, Pt) pueden unirse, además de servir como soporte para el ionómero conductor de iones. El soporte también proporciona vías para el transporte de electrones y, por lo tanto, debe ser conductor y tener una excelente conectividad entre partículas, mientras que los gases reactivos se mueven alrededor y a través del material de soporte de carbono. El soporte del catalizador desempeña un papel fundamental para lograr tanto el rendimiento como la durabilidad de la celda de combustible PEM.
¿Cuáles son los materiales más comunes que se utilizan como soporte de catalizador en las celdas de combustible?
Se utilizan muchos catalizadores en las celdas de combustible, pero los polvos de carbono de gran superficie (por ejemplo, el negro de carbono) son los más utilizados como soporte de catalizador en las celdas de combustible PEM.
Ejemplo: Polvo de carbono nanoporoso
De qué manera un soporte catalizador de alta calidad puede mejorar el rendimiento de las pilas de combustible?
La estructura del soporte de carbono desempeña un papel fundamental en el control del tamaño de las partículas del catalizador, su dispersión y sus interacciones con el ionómero, así como en la durabilidad del catalizador. Los soportes de carbono que son más estables y que interactúan más fuertemente con las nanopartículas del catalizador pueden inhibir la movilidad del catalizador y la aglomeración de nanopartículas, minimizando así la pérdida resultante de área superficial y aumentando la vida útil de la pila de combustible. Los carbones mesoporosos de área superficial elevada permiten que las nanopartículas catalíticas de Pt se dispersen mejor y resistan el crecimiento y la aglomeración. La estructura de los materiales de carbono mesoporoso también puede diseñarse para evitar el envenenamiento por ionómero de las superficies de las nanopartículas de Pt, mejorando así la utilización del catalizador y mejorando la actividad de la masa y el rendimiento.
¿Es el material utilizado en una pila de combustible relevante para su rendimiento global?
Sí. La capa de catalizador afecta significativamente el rendimiento general de una celda de combustible. La elección del soporte de carbono es una parte importante de esto, ya que afecta la actividad catalítica, la durabilidad, la reproducibilidad y la rentabilidad de una celda de combustible.
¿Cómo contribuye el soporte del catalizador a la durabilidad y vida útil de las pilas de combustible?
Un buen soporte de catalizador proporciona estabilidad mecánica al catalizador, evitando la disolución, el desprendimiento, la aglomeración de partículas y el envenenamiento por ionómeros, y por lo tanto puede conducir a una durabilidad significativamente mejorada. Un soporte de catalizador estable tiene mejor resistencia a la corrosión y por lo tanto conduce a una vida útil más larga en una celda de combustible. Un soporte de catalizador que tiene la estructura porosa deseada o tiene fuertes interacciones con el propio catalizador puede proteger las nanopartículas catalíticas de la disolución, el desprendimiento y la aglomeración, mejorando así aún más la vida útil del catalizador en una celda de combustible.
¿Cómo puede afectar el soporte del catalizador al coste-eficacia de las pilas de combustible?
Un buen soporte de catalizador puede mejorar la utilización del catalizador, especialmente los catalizadores de metales preciosos como el Pt. Por lo tanto, se necesita menos material de catalizador, lo que disminuye el coste de fabricación. Un catalizador bien elegido también aumenta la vida útil, lo que contribuye a reducir los costes de funcionamiento para los usuarios finales.
¿Cómo funcionan juntos los catalizadores y los soportes de catalizadores en las pilas de combustible de membrana de intercambio de protones?
Los soportes catalíticos proporcionan una estructura para el anclaje de los materiales catalíticos al tiempo que permiten que los materiales catalíticos se dispersen uniformemente sobre una gran superficie, aumentando así el número total de sitios reactivos y, por tanto, dando lugar a una mayor actividad catalítica. La alta porosidad y la baja tortuosidad del soporte también mejoran el transporte de masa de los reactivos (hidrógeno y oxígeno) y conducen a una alta utilización del material catalizador al tiempo que disminuyen la resistencia al transporte de masa. Los soportes de carbono mesoporoso también tienen el potencial de proteger al catalizador, especialmente a las nanopartículas de Pt, de la aglomeración, de la pérdida de superficie con el tiempo y del envenenamiento por el ionómero, por lo que aumentan aún más la actividad y la estabilidad del catalizador.
¿Cuál es la relación entre el catalizador, el soporte y el combustible en una pila de combustible?
El catalizador acelera las reacciones electroquímicas que se producen en la pila de combustible, facilitando la conversión de combustible (normalmente hidrógeno) y oxidante (normalmente oxígeno del aire) en electricidad y agua. El soporte del catalizador mejora su eficacia proporcionándole estabilidad, una elevada superficie y conductividad eléctrica.
¿Cómo pueden los soportes catalíticos mesoporosos mejorar el rendimiento de las pilas de combustible?
Los mesoporos son poros de entre 2 y 50 nm de diámetro. Los carbones mesoporosos proporcionan pequeños mesoporos que siguen siendo lo suficientemente grandes como para permitir el anclaje de las nanopartículas de Pt (el catalizador) y, al mismo tiempo, evitar que el ionómero penetre en los poros. Por lo tanto, el catalizador puede protegerse del envenenamiento por ionómero. Los mesoporos también pueden proteger contra la pérdida de catalizador derivada del desprendimiento de partículas, al tiempo que ayudan a confinar y estabilizar las nanopartículas catalíticas para evitar que se aglomeren más. Esto, a su vez, mejora la durabilidad de la pila de combustible.
¿Qué papel juega el soporte del catalizador en la reducción de la corrosión de carbono en las pilas de combustible?
El carbono grafitizado tiene menos contenido de oxígeno en comparación con los carbones no grafitizados, por lo que es menos propenso a la corrosión del carbono durante el funcionamiento de las pilas de combustible. Sin embargo, la grafitización debilita el enlace nanopartícula de Pt/carbono, por lo que el Pt es más susceptible a la corrosión.
¿Qué significa el término soporte catalizador en el contexto de las pilas de combustible? ¿Qué función desempeña el soporte catalítico en las pilas de combustible?
Una pila de combustible de membrana de intercambio protónico (PEM) es un tipo de pila de combustible de hidrógeno que genera electricidad a través de las reacciones electroquímicas del hidrógeno y el aire (oxígeno) y funciona a 50-80 °C. Las reacciones electroquímicas que se producen en la pila de combustible son lentas, por lo que se aplica un catalizador para acelerar las reacciones electroquímicas, facilitando la conversión del combustible (hidrógeno) y el oxidante (oxígeno del aire) en electricidad y agua. El platino (Pt) es el catalizador más conocido para las pilas de combustible PEM. Sin embargo, el elevado precio y la escasez de Pt dificultan la amplia aplicación de las pilas de combustible PEM. Por lo tanto, reducir la cantidad de Pt manteniendo al mismo tiempo un alto rendimiento y vida útil de la pila de combustible es importante para que las aplicaciones de las pilas de combustible sean más viables económicamente. Por ello, los materiales de carbono se introducen como soporte catalizador para mejorar la utilización del catalizador en una pila de combustible. El soporte del catalizador proporciona sitios de carga para las nanopartículas catalíticas (por ejemplo, Pt) y vías para la transferencia de electrones y gases reactivos. El soporte del catalizador mejora la eficacia del catalizador proporcionándole estabilidad, una elevada superficie y conductividad eléctrica. Así pues, el soporte del catalizador desempeña un papel fundamental en el rendimiento y la durabilidad de las pilas de combustible PEM.
¿Cuáles son los materiales más comunes para el soporte del catalizador en las pilas de combustible? ¿Qué importancia tiene el material utilizado en una pila de combustible para su rendimiento global y su vida útil?
Los soportes de catalizador más comunes disponibles comercialmente son el negro de carbón, como el carbón Vulcan y el carbón Ketjen, que tienen una gran área superficial, abundancia y bajo costo. Proporcionan una estructura para anclar los materiales del catalizador que permite que estos se dispersen en una gran área superficial, aumentando los sitios reactivos y, por lo tanto, generando una mayor actividad catalítica.
Actualmente, una capa de catalizador en una celda de combustible PEM generalmente se fabrica mezclando el negro de carbón cargado con catalizador (por ejemplo, Pt/C) con el ionómero que sirve como aglutinante y vía de transporte de protones. La capa de catalizador afecta significativamente el rendimiento general de una celda de combustible. La elección de los soportes de carbón afecta la actividad catalítica, la durabilidad, la reproducibilidad y la rentabilidad de una celda de combustible. Un buen soporte de catalizador proporciona estabilidad mecánica al catalizador, evitando la disolución, el desprendimiento y la aglomeración, y, por lo tanto, conduce a una mayor durabilidad.
Un buen soporte de catalizador puede mejorar la utilización del catalizador, especialmente el catalizador de metal precioso como Pt. Por lo tanto, se necesita menos material de catalizador, lo que reduce el costo de fabricación. Un soporte de catalizador bien elegido también mejora la vida útil, lo que contribuye a reducir el costo de operación para los usuarios finales. Un soporte de catalizador estable tiene una mejor resistencia a la corrosión y, por lo tanto, conduce a una vida útil más larga en una celda de combustible. El soporte de catalizador que tiene una estructura porosa deseable o una fuerte interacción con el catalizador podría proteger las nanopartículas del catalizador de la disolución, el desprendimiento y la aglomeración, mejorando aún más la vida útil del catalizador en una celda de combustible.
¿Cuáles son algunos de los desafíos en la optimización del soporte del catalizador para pilas de combustible?
La capa de catalizador convencional hecha con negro de carbón cargado con platino plantea desafíos para la estabilidad y flexibilidad a largo plazo de las celdas de combustible PEM en diversas condiciones. Los negros de carbón son partículas con diámetros que van desde decenas a cientos de nanómetros. Las nanopartículas de Pt se depositan típicamente en la superficie de las partículas de carbón, de manera similar a la brillantina en una paleta de pastel. Durante las operaciones de la celda de combustible, las partículas de Pt y las partículas de carbón están sujetas a diversas formas de degradación. Las partículas de Pt pueden desprenderse fácilmente de la superficie del carbón, perdiendo su actividad. Algunas partículas de Pt se agregan para formar partículas más grandes, lo que resulta en una reducción del área superficial de Pt y una disminución de la actividad. El apilamiento aleatorio de partículas de negro de carbón conduce a canales inestables dentro de la capa de catalizador que son susceptibles a cambios en diversas presiones y humedades relativas, lo que causa un rendimiento inestable de la celda.
Aumentar la durabilidad sin comprometer la actividad del catalizador es el objetivo de desarrollar un buen soporte de catalizador. La estructura del soporte de carbón juega un papel crítico en el tamaño de partícula del catalizador, la dispersión y la interacción con el ionómero, así como en la durabilidad del catalizador. Los soportes que son más estables y que interactúan más fuertemente con las partículas del catalizador pueden inhibir la movilidad del catalizador y aumentar en gran medida la vida útil de la celda de combustible. Los carbones grafitizados han demostrado una menor corrosión del carbono, pero tienen áreas superficiales menores que los soportes no grafitizados y, por lo tanto, sufren una dispersión y estabilidad inadecuadas del catalizador.
¿Cómo pueden los soportes catalíticos mesoporosos mejorar el rendimiento y la vida útil de las pilas de combustible?
El carbono mesoporoso de alta superficie es un material de carbono con poros de entre 2 y 50 nanómetros. El carbono mesoporoso proporciona poros pequeños para que el catalizador se ancle y se disperse bien, y también puede prevenir el envenenamiento del ionómero en el catalizador, mejorando la utilización del catalizador y mejorando la actividad de la masa y el rendimiento.
El polvo de carbono nanoporoso (NCP SupportsTM) es un material de carbono mesoporoso que con una estructura interconectada tridimensionalmente y tamaños de poro controlables. Su alta porosidad y baja tortuosidad mejoran el transporte de masa de los reactivos (hidrógeno y oxígeno) y conducen a una alta utilización del material catalizador al tiempo que disminuyen la resistencia al transporte de masa.
A diferencia de las purpurinas de un pastel, el Pt cargado en los (Soportes NCPTM) es como las abejas en un panal. Los mesoporos protegen al catalizador del desprendimiento y proporcionan cierto confinamiento para evitar una mayor agregación, lo que conduce a una mayor durabilidad de la pila de combustible. Los mesoporos también podrían proteger al catalizador, especialmente al Pt, de ser envenenado por los ionómeros, aumentando aún más la actividad y estabilidad del catalizador. Además, los (NCP SupportsTM) pueden mejorar el transporte de masa de reactivos y productos hacia y desde la superficie del catalizador, mejorando la eficiencia de la pila de combustible y el rendimiento general y la longevidad del catalizador El carbono grafitizado tiene menos contenido de oxígeno en comparación con los carbones no grafitizados, y por lo tanto es menos propenso a la corrosión del carbono debido a las reacciones de oxidación durante el funcionamiento de la pila de combustible. Los (Soportes NCPTM) pueden ser tratados térmicamente e incluso grafitizados aún más para mejorar su resistencia a la corrosión del carbono para una mayor durabilidad.
Contenido aportado por Momentum Materials Solutions
Momentum Materials Solutions ha desarrollado novedosos productos de polvo de carbono nanoporoso que mejoran el rendimiento y más que duplican la durabilidad de los catalizadores PEMFC y MEAs.Tienen un equipo técnico diverso con experiencia en ingeniería química, ciencia de los materiales y aplicaciones de pilas de combustible. La empresa tiene su sede en Calgary (Canadá) y ofrece una amplia gama de materiales para su envío a todo el mundo. Ofrecen a la economía del hidrógeno materiales avanzados para mejorar el rendimiento de los MEA y duplicar con creces la vida útil operativa de las pilas de combustible.
Última actualización: 15.02.2024