Célula de combustible de membrana de intercambio de protones

Los PEMFC se construyen a partir de conjuntos de electrodos de membrana (MEA) que incluyen electrodos, electrolitos, catalizadores y capas de difusión de gas. Una tinta de catalizador, carbono y electrodo se rocía o pinta sobre el electrolito sólido y el papel carbón se presiona en caliente a ambos lados para proteger el interior de la celda y también actuar como electrodos. La parte fundamental de la célula es el límite de fase triple (TPB) donde se mezclan el electrolito, el catalizador y los reactivos y, por lo tanto, donde se producen las reacciones celulares. Es importante destacar que la membrana no debe ser conductora de electricidad para que las medias reacciones no se mezclen. Se desean temperaturas de funcionamiento superiores a 100 °C para que el subproducto del agua se convierta en vapor y la gestión del agua sea menos crítica en el diseño de celdas.

Reaccioneseditar

Una pila de combustible de membrana de intercambio de protones transforma la energía química liberada durante la reacción electroquímica de hidrógeno y oxígeno en energía eléctrica, a diferencia de la combustión directa de gases de hidrógeno y oxígeno para producir energía térmica.

Se envía una corriente de hidrógeno al lado del ánodo del MEA. En el lado del ánodo se divide catalíticamente en protones y electrones. Esta reacción de oxidación de células medias o reacción de oxidación de hidrógeno (HOR) está representada por:

En el ánodo:

Los protones recién formados permean a través de la membrana electrolítica del polímero hasta el lado del cátodo. Los electrones viajan a lo largo de un circuito de carga externo al lado del cátodo del MEA, creando así la salida de corriente de la pila de combustible.Mientras tanto, se envía una corriente de oxígeno al lado del cátodo del MEA. En el lado del cátodo, las moléculas de oxígeno reaccionan con los protones que penetran a través de la membrana electrolítica del polímero y los electrones que llegan a través del circuito externo para formar moléculas de agua. Esta reacción de reducción de células medias o reacción de reducción de oxígeno (ORR) está representada por:

En el cátodo:

Reacción general:

La reacción reversible se expresa en la ecuación y muestra la reincorporación de los protones y electrones de hidrógeno junto con la molécula de oxígeno y la formación de una molécula de agua. Los potenciales en cada caso se dan con respecto al electrodo de hidrógeno estándar.

Membrana electrolítica de polimeroeditar

Para funcionar, la membrana debe conducir iones de hidrógeno (protones), pero no electrones, ya que esto en efecto «cortocircuitaría» la celda de combustible. La membrana tampoco debe permitir que ninguno de los gases pase al otro lado de la celda, un problema conocido como cruce de gas. Finalmente, la membrana debe ser resistente al ambiente reductor en el cátodo, así como al ambiente oxidativo duro en el ánodo.

La división de la molécula de hidrógeno es relativamente fácil mediante el uso de un catalizador de platino. Desafortunadamente, sin embargo, dividir la molécula de oxígeno es más difícil, y esto causa pérdidas eléctricas significativas. No se ha descubierto un material catalizador adecuado para este proceso, y el platino es la mejor opción.

Una alternativa más barata al platino es el catalizador de óxido de Cerio (IV) utilizado por el grupo de investigación del profesor Vladimír Matolín en el desarrollo de PEMFC.

StrengthsEdit

El PEMFC es un candidato ideal para vehículos y otras aplicaciones móviles de todos los tamaños, hasta teléfonos móviles, debido a su compacidad.

InsuficienCias Edit

Las pilas de combustible basadas en PEM todavía tienen muchos problemas:

1. Gestión del agua

La gestión del agua es crucial para el rendimiento: si el agua se evapora demasiado lentamente, inundará la membrana y la acumulación de agua dentro de la placa de flujo de campo impedirá el flujo de oxígeno a la celda de combustible, pero si el agua se evapora demasiado rápido, la membrana se secará y la resistencia a través de ella aumentará. Ambos casos causarán daños a la estabilidad y la potencia de salida. El manejo del agua es un tema muy difícil en los sistemas PEM, principalmente porque el agua en la membrana es atraída hacia el cátodo de la célula a través de la polarización.

Existe una amplia variedad de soluciones para la gestión del agua, incluida la integración de una bomba electroosmótica.

Otro método innovador para resolver el problema de recirculación de agua es el diseño de campo de flujo de malla fina 3D utilizado en el Toyota Mirai, 2014. El diseño convencional de la pila FC recircula el agua de la salida de aire a la entrada de aire a través de un humidificador con un canal recto y campos de flujo de metal poroso.El campo de flujo es una estructura formada por una costilla y canales. Sin embargo, la costilla cubre parcialmente la capa de difusión de gas (GDL) y la distancia de transporte de gas resultante es más larga que la distancia entre canales. Además, la presión de contacto entre el GDL y la costilla también comprime el GDL, haciendo que su grosor no sea uniforme a través de la costilla y el canal. La gran anchura y el grosor no uniforme de la costilla aumentarán el potencial de acumulación de vapor de agua y el oxígeno se verá comprometido. Como resultado, se impedirá que el oxígeno se difunda en la capa catalítica, lo que conducirá a la generación de energía no uniforme en el FC.

Este nuevo diseño habilitó las primeras funciones de pila FC sin un sistema de humidificación, superando los problemas de recirculación del agua y logrando una alta estabilidad de salida de potencia. La micro celosía 3D permite más vías para el flujo de gas; por lo tanto, promueve el flujo de aire hacia el electrodo de membrana y el ensamblaje de la capa de difusión de gas (MEGA) y promueve la difusión de O2 a la capa del catalizador. A diferencia de los campos de flujo convencionales, las micro-redes 3D en el campo complejo, que actúan como deflectores e inducen flujo interfacial a microescala frecuente entre el GDL y los campos de flujo. Debido a este flujo convectivo de microescala repetido, se mejora significativamente el transporte de oxígeno a la capa catalizadora (CL) y la eliminación de agua líquida del GDL. El agua generada se extrae rápidamente a través del campo de flujo, evitando la acumulación dentro de los poros. Como resultado, la generación de energía a partir de este campo de flujo es uniforme en toda la sección transversal y se habilita la autohumidificación.

2. Vulnerabilidad del catalizador

El catalizador de platino en la membrana se envenena fácilmente con monóxido de carbono (no más de una parte por millón es generalmente aceptable) y la membrana es sensible a cosas como iones metálicos, que pueden introducirse por corrosión de placas bipolares metálicas, componentes metálicos en el sistema de pila de combustible o contaminantes en el combustible/oxidante.

Se propusieron sistemas PEM que utilizan metanol reformado, como en Daimler Chrysler Necar 5; metanol reformado, p. ej. hacer que reaccione para obtener hidrógeno, sin embargo, es un proceso muy complicado, que también requiere purificación del monóxido de carbono que produce la reacción. Se necesita un catalizador de platino-rutenio, ya que un poco de monóxido de carbono alcanzará inevitablemente la membrana. El nivel no debe exceder de 10 partes por millón. Además, el tiempo de puesta en marcha de un reactor reformador de este tipo es de aproximadamente media hora. Alternativamente, el metanol y algunos otros biocombustibles se pueden alimentar a una pila de combustible PEM directamente sin ser reformados, creando así una pila de combustible de metanol directo (DMFC). Estos dispositivos funcionan con un éxito limitado.

3. Limitación de la temperatura de funcionamiento

La membrana más utilizada es Nafion por Chemours, que se basa en la humidificación de agua líquida de la membrana para transportar protones. Esto implica que no es factible utilizar temperaturas superiores a 80 a 90 °C, ya que la membrana se secaría. Otros tipos de membrana más recientes, basados en polibencimidazol (PBI) o ácido fosfórico, pueden alcanzar hasta 220 °C sin utilizar ningún tipo de gestión del agua: una temperatura más alta permite mejores eficiencias, densidades de potencia, facilidad de enfriamiento (debido a las mayores diferencias de temperatura permitidas), sensibilidad reducida al envenenamiento por monóxido de carbono y mejor controlabilidad (debido a la ausencia de problemas de gestión del agua en la membrana); sin embargo, estos tipos recientes no son tan comunes. El PBI se puede dopar con ácido fosfórico o sulfúrico y las escalas de conductividad con la cantidad de dopaje y la temperatura. A altas temperaturas, es difícil mantener hidratada la nafión, pero este material dopado con ácido no utiliza agua como medio para la conducción de protones. También exhibe mejores propiedades mecánicas, mayor resistencia que Nafion y es más barato. Sin embargo, la lixiviación ácida es un problema considerable y el procesamiento, mezclado con catalizador para formar tinta, ha resultado complicado. Los polímeros aromáticos, como el PEEK, son mucho más baratos que el teflón (PTFE y columna vertebral de Nafion) y su carácter polar conduce a una hidratación que depende menos de la temperatura que la Nafion. Sin embargo, PEEK es mucho menos conductivo iónico que Nafion y, por lo tanto, es una opción de electrolitos menos favorable. Recientemente, se ha demostrado que los líquidos iónicos proticos y los cristales plásticos iónicos orgánicos proticos son materiales electrolíticos alternativos prometedores para PEMFC de alta temperatura (100-200 °C).

ElectrodesEdit

Un electrodo generalmente consiste en soporte de carbono, partículas Pt, ionómero Nafion y/o aglutinante de teflón. El soporte de carbono funciona como conductor eléctrico; las partículas de Pt son sitios de reacción; el ionómero proporciona rutas para la conducción de protones, y el aglutinante de teflón aumenta la hidrofobicidad del electrodo para minimizar la inundación potencial. Para permitir las reacciones electroquímicas en los electrodos, los protones, los electrones y los gases reactivos (hidrógeno u oxígeno) deben tener acceso a la superficie del catalizador en los electrodos, mientras que el agua del producto, que puede estar en fase líquida o gaseosa, o en ambas fases, debe ser capaz de penetrar desde el catalizador hasta la salida de gas. Estas propiedades se realizan típicamente por compuestos porosos de aglutinante electrolítico polimérico (ionómero) y nanopartículas de catalizador apoyadas en partículas de carbono. Por lo general, el platino se utiliza como catalizador para las reacciones electroquímicas en el ánodo y el cátodo, mientras que las nanopartículas realizan relaciones de superficie a peso altas (como se describe más adelante) reduciendo la cantidad de platino costoso. El aglutinante electrolítico de polímero proporciona la conductividad iónica, mientras que el soporte de carbono del catalizador mejora la conductividad eléctrica y permite una carga de metal de platino baja. La conductividad eléctrica en los electrodos compuestos es típicamente más de 40 veces mayor que la conductividad de protones.

Capa de difusión de gasedItar

El GDL conecta eléctricamente el catalizador y el colector de corriente. Debe ser porosa, conductora de electricidad y delgada. Los reactivos deben ser capaces de alcanzar el catalizador, pero la conductividad y la porosidad pueden actuar como fuerzas opuestas. De manera óptima, el GDL debe estar compuesto de aproximadamente un tercio de Nafión o 15% de PTFE. Las partículas de carbono utilizadas en el GDL pueden ser más grandes que las empleadas en el catalizador porque el área de superficie no es la variable más importante en esta capa. GDL debe tener alrededor de 15-35 µm de espesor para equilibrar la porosidad necesaria con la resistencia mecánica. A menudo, se agrega una capa porosa intermedia entre la capa de GDL y la capa de catalizador para facilitar las transiciones entre los poros grandes en la capa de GDL y la pequeña porosidad en la capa de catalizador. Dado que una función primaria de la GDL es ayudar a eliminar el agua, un producto, las inundaciones pueden ocurrir cuando el agua bloquea efectivamente la GDL. Esto limita la capacidad de los reactivos para acceder al catalizador y disminuye significativamente el rendimiento. El teflón se puede recubrir en el GDL para limitar la posibilidad de inundación. En el GDLS se analizan varias variables microscópicas como: porosidad, tortuosidad y permeabilidad. Estas variables tienen incidencia sobre el comportamiento de las pilas de combustible.

Efficienciaeditar

La eficiencia teórica máxima aplicando la ecuación de energía libre de Gibbs ΔG = -237,13 kJ/mol y utilizando el valor calorífico del Hidrógeno (ΔH = -285,84 kJ/mol) es del 83% a 298 K.

η = Δ G Δ H = 1 − T Δ S Δ H {\displaystyle \eta ={\frac {\Delta G}{\Delta H}}=1-{\frac {T\Delta S}{\Delta H}}}

La eficiencia práctica de un PEMs está en el rango de 50-60% .Los principales factores que crean pérdidas son:

• Pérdidas de activación
• Pérdidas óhmicas
• Pérdidas de transporte masivo

Estructuras metal-organicaseditar

Las estructuras metal-orgánicas (MOF) son una clase relativamente nueva de materiales porosos y altamente cristalinos que consisten en nodos metálicos conectados por enlazadores orgánicos. Debido a la simplicidad de manipular o sustituir los centros y ligandos metálicos, hay un número virtualmente ilimitado de combinaciones posibles, lo que es atractivo desde el punto de vista del diseño. Los MOF exhiben muchas propiedades únicas debido a sus tamaños de poros sintonizables, estabilidad térmica, capacidades de alto volumen, grandes áreas de superficie y características electroquímicas deseables. Entre sus muchos usos diversos, los MOF son candidatos prometedores para aplicaciones de energía limpia, como almacenamiento de hidrógeno, separaciones de gas, supercondensadores, baterías de iones de litio, celdas solares y celdas de combustible. Dentro del campo de la investigación de pilas de combustible, se están estudiando los MOF como posibles materiales electrolíticos y catalizadores de electrodos que algún día podrían reemplazar las membranas poliméricas tradicionales y los catalizadores de Pt, respectivamente.

Como materiales electrolíticos, la inclusión de MOF parece al principio contra-intuitiva. Las membranas de pila de combustible generalmente tienen baja porosidad para evitar el cruce de combustible y la pérdida de voltaje entre el ánodo y el cátodo. Además, las membranas tienden a tener baja cristalinidad porque el transporte de iones es más favorable en materiales desordenados. Por otro lado, los poros se pueden rellenar con portadores de iones adicionales que, en última instancia, mejoran la conductividad iónica del sistema y la alta cristalinidad hace que el proceso de diseño sea menos complejo.

Los requisitos generales de un buen electrolito para PEMFC son: alta conductividad de protones (>10-2 S / cm para aplicaciones prácticas) para permitir el transporte de protones entre electrodos, buena estabilidad química y térmica en condiciones de funcionamiento de pilas de combustible (humedad ambiental, temperaturas variables, resistencia a especies venenosas, etc.), bajo costo, capacidad de ser procesado en películas delgadas y compatibilidad general con otros componentes celulares. Si bien los materiales poliméricos son actualmente la opción preferida de membrana conductora de protones, requieren humidificación para un rendimiento adecuado y, a veces, pueden degradarse físicamente debido a los efectos de hidratación, causando pérdidas de eficiencia. Como se mencionó, la Nafion también está limitada por una temperatura de deshidratación de < 100 °C, lo que puede conducir a una cinética de reacción más lenta, una baja eficiencia de costos y una intoxicación por CO de los catalizadores de electrodos de Tp. Por el contrario, los MOF han mostrado conductividades de protones alentadoras en regímenes de baja y alta temperatura, así como en una amplia gama de condiciones de humedad. Por debajo de 100 °C y bajo hidratación, la presencia de enlaces de hidrógeno y moléculas de agua solventes ayudan en el transporte de protones, mientras que las condiciones anhidras son adecuadas para temperaturas superiores a 100 °C. Los MOF también tienen la clara ventaja de exhibir conductividad de protones por el propio armazón, además de la inclusión de cargas transportadas (es decir, agua, ácidos, etc.).) en sus poros.

Un ejemplo de baja temperatura es el trabajo de Kitagawa, et al. la oms utilizó un marco de capa aniónica con puente de oxalato bidimensional como huésped e introdujo cationes de amonio y moléculas de ácido adípico en los poros para aumentar la concentración de protones. El resultado fue una de las primeras muestras de un MOF que mostró conductividad «superprotónica» (8 × 10-3 S/cm) a 25 °C y 98% de humedad relativa (HR). Más tarde descubrieron que el aumento de la naturaleza hidrofílica de los cationes introducidos en los poros podría mejorar aún más la conductividad de los protones. En este régimen de baja temperatura que depende del grado de hidratación, también se ha demostrado que la conductividad de protones depende en gran medida de los niveles de humedad.

Un ejemplo anhidro de alta temperatura es el PCMOF2, que consiste en iones de sodio coordinados con un derivado de benceno trisulfonado. Para mejorar el rendimiento y permitir temperaturas de funcionamiento más altas, el agua se puede reemplazar como portador de protones por moléculas de imidazol o triazol menos volátiles dentro de los poros. La temperatura máxima alcanzada fue de 150 °C con una conductividad óptima de 5 × 10-4 S/cm, que es inferior a otras membranas electrolíticas actuales. Sin embargo, este modelo es prometedor por su régimen de temperatura, condiciones anhidras y capacidad para controlar la cantidad de moléculas invitadas dentro de los poros, todo lo cual permitió la sintonizabilidad de la conductividad de protones. Además, el PCMOF2 cargado con triazol se incorporó a un conjunto de electrodos de membrana H2 / aire y alcanzó un voltaje de circuito abierto de 1.18 V a 100 °C que fue estable durante 72 horas y logró permanecer hermético a los gases durante las pruebas. Esta fue la primera instancia que demostró que los MOF podían implementarse en pilas de combustible en funcionamiento, y la diferencia de potencial moderada mostró que el cruce de combustible debido a la porosidad no era un problema.

Hasta la fecha, la conductividad de protones más alta alcanzada para un electrolito MOF es de 4,2 × 10-2 S/cm a 25 °C en condiciones húmedas (98% HR), lo que es competitivo con Nafion. Algunos experimentos recientes incluso han producido con éxito membranas de MOF de película delgada en lugar de las muestras a granel tradicionales o los cristales individuales, lo que es crucial para su aplicabilidad industrial. Una vez que los MOF son capaces de alcanzar de manera consistente niveles de conductividad, resistencia mecánica, estabilidad al agua y procesamiento simple, tienen el potencial de desempeñar un papel importante en los PEMFC en el futuro cercano.

Los MOF también han sido seleccionados como posibles sustitutos de materiales de metal del grupo del platino (PGM) para catalizadores de electrodos, aunque esta investigación todavía se encuentra en las primeras etapas de desarrollo. En los PEMFC, la reacción de reducción de oxígeno (ORR) en el cátodo Pt es significativamente más lenta que la reacción de oxidación del combustible en el ánodo, por lo que se están investigando catalizadores sin PGM y sin metales como alternativas. La alta densidad volumétrica, las grandes superficies de poros y la apertura de los sitios de iones metálicos en los MOF los convierten en candidatos ideales para precursores de catalizadores. A pesar de las prometedoras capacidades catalíticas, la durabilidad de estos catalizadores basados en MOF propuestos es actualmente menos que deseable y el mecanismo de ORR en este contexto aún no se comprende completamente.

Investigación sobre catalizadoreseditar

Gran parte de la investigación actual sobre catalizadores para pilas de combustible PEM se puede clasificar como uno de los siguientes objetivos principales:

1. para obtener una actividad catalítica más alta que los catalizadores de partículas de platino soportados por carbono estándar utilizados en las pilas de combustible PEM actuales
2. para reducir el envenenamiento de los catalizadores de pila de combustible PEM por gases de impureza
3. para reducir el costo de la pila de combustible debido al uso de catalizadores a base de platino
4. para mejorar la actividad de ORR de los electrocatalizadores sin metales del grupo de platino

En las siguientes secciones se ofrecen ejemplos de estos enfoques.

Aumento de la actividad catalíticaeditar

Como se mencionó anteriormente, el platino es, con mucho, el elemento más efectivo utilizado para catalizadores de celdas de combustible PEM, y casi todas las celdas de combustible PEM actuales usan partículas de platino en soportes de carbono poroso para catalizar la oxidación del hidrógeno y la reducción de oxígeno. Sin embargo, debido a su alto costo, los catalizadores Pt/C actuales no son viables para su comercialización. estadounidense. El Departamento de Energía estima que los catalizadores a base de platino necesitarán usar aproximadamente cuatro veces menos platino que el que se usa en los diseños actuales de pilas de combustible PEM para representar una alternativa realista a los motores de combustión interna. En consecuencia, un objetivo principal del diseño de catalizadores para pilas de combustible PEM es aumentar la actividad catalítica del platino en un factor de cuatro, de modo que solo se necesite una cuarta parte del metal precioso para lograr un rendimiento similar.

Un método para aumentar el rendimiento de los catalizadores de platino es optimizar el tamaño y la forma de las partículas de platino. La disminución del tamaño de las partículas por sí sola aumenta la superficie total del catalizador disponible para participar en las reacciones por volumen de platino utilizado, pero estudios recientes han demostrado formas adicionales de mejorar aún más el rendimiento catalítico. Por ejemplo, un estudio informa que las facetas de alto índice de nanopartículas de platino (es decir, los índices Miller con enteros grandes, como Pt (730)) proporcionan una mayor densidad de sitios reactivos para la reducción de oxígeno que las nanopartículas de platino típicas.

Dado que el catalizador más común y efectivo, el platino, es extremadamente costoso, es necesario un procesamiento alternativo para maximizar la superficie y minimizar la carga. La deposición de partículas de Pt nanométricas en polvo de carbono (Pt/C) proporciona una gran superficie de Pt, mientras que el carbono permite la conexión eléctrica entre el catalizador y el resto de la célula. El platino es tan efectivo porque tiene una alta actividad y se une al hidrógeno con la fuerza suficiente para facilitar la transferencia de electrones, pero no inhibe que el hidrógeno continúe moviéndose alrededor de la célula. Sin embargo, el platino es menos activo en la reacción de reducción de oxígeno del cátodo. Esto requiere el uso de más platino, lo que aumenta el gasto de la célula y, por lo tanto, la viabilidad. Muchas opciones de catalizadores potenciales se descartan debido a la extrema acidez de la célula.

Las formas más efectivas de lograr el Pt a nanoescala en polvo de carbono, que actualmente es la mejor opción, son la deposición al vacío, la pulverización catódica y la electrodeposición. Las partículas de platino se depositan en papel carbón impregnado de PTFE. Sin embargo, hay una delgadez óptima en esta capa de catalizador, lo que limita el límite de menor costo. Por debajo de 4 nm, Pt formará islas en el papel, limitando su actividad. Por encima de este grosor, el Pt cubrirá el carbono y será un catalizador efectivo. Para complicar aún más las cosas, Nafion no puede infiltrarse más allá de 10 um, por lo que usar más Pt que esto es un gasto innecesario. Por lo tanto, la cantidad y la forma del catalizador están limitadas por las restricciones de otros materiales.

Un segundo método para aumentar la actividad catalítica del platino es aliarlo con otros metales. Por ejemplo, recientemente se demostró que la superficie Pt3Ni(111) tiene una actividad de reducción de oxígeno más alta que la Pt pura(111) por un factor de diez. Los autores atribuyen este aumento dramático del rendimiento a las modificaciones de la estructura electrónica de la superficie, reduciendo su tendencia a unirse a especies iónicas que contienen oxígeno presentes en las pilas de combustible PEM y, por lo tanto, aumentando el número de sitios disponibles para la adsorción y reducción de oxígeno.

Se pueden obtener eficiencias adicionales utilizando una boquilla ultrasónica para aplicar el catalizador de platino a la capa de electrolitos o al papel carbón en condiciones atmosféricas, lo que resulta en un rociado de alta eficiencia. Los estudios han demostrado que debido al tamaño uniforme de las gotas creadas por este tipo de pulverización, debido a la alta eficiencia de transferencia de la tecnología, debido a la naturaleza de no obstrucción de la boquilla y finalmente debido al hecho de que la energía ultrasónica desaglomera la suspensión justo antes de la atomización, las pilas de combustible MEA fabricadas de esta manera tienen una mayor homogeneidad en el MEA final, y el flujo de gas a través de la celda es más uniforme, maximizando la eficiencia del platino en el MEA.Estudios recientes que utilizan la impresión de inyección de tinta para depositar el catalizador sobre la membrana también han demostrado una alta utilización del catalizador debido al espesor reducido de las capas de catalizador depositadas.

Muy recientemente, se ha introducido una nueva clase de electrocatalizadores ORR en el caso de sistemas Pt-M (M-Fe y Co) con un núcleo intermetálico ordenado encapsulado dentro de una carcasa rica en Pt. Se descubrió que estos nanocatalizadores de núcleo intermetálico (IMCS) exhibían una actividad mejorada y, lo que es más importante, una durabilidad extendida en comparación con muchos diseños anteriores. Si bien la mejora observada en las actividades se atribuye a una red tensada, los autores informan que sus hallazgos sobre la cinética de degradación establecen que la durabilidad catalítica extendida es atribuible a un orden atómico sostenido.

Reducir el envenenamientoeditar

El otro enfoque popular para mejorar el rendimiento del catalizador es reducir su sensibilidad a las impurezas en la fuente de combustible, especialmente el monóxido de carbono (CO). En la actualidad, el gas de hidrógeno puro se está volviendo económico de producir en masa por electrólisis. Sin embargo, en este momento el gas hidrógeno se produce mediante el reformado a vapor de hidrocarburos ligeros, un proceso que produce una mezcla de gases que también contiene CO (1-3%), CO2 (19-25%) y N2 (25%). Incluso decenas de partes por millón de CO pueden envenenar un catalizador de platino puro, por lo que aumentar la resistencia del platino al CO es un área activa de investigación.

Por ejemplo, un estudio informó que las nanopartículas de platino en forma de cubo con (100) facetas mostraron un aumento de cuatro veces en la actividad de reducción de oxígeno en comparación con las nanopartículas de platino facetadas aleatoriamente de tamaño similar. Los autores concluyeron que las (111) facetas de las nanopartículas de forma aleatoria se unieron más fuertemente a los iones sulfato que las (100) facetas, reduciendo el número de sitios catalíticos abiertos a las moléculas de oxígeno. Los nanocubos que sintetizaron, por el contrario, tenían casi exclusivamente (100) facetas, que se sabe que interactúan con el sulfato de manera más débil. Como resultado, una mayor fracción de la superficie de esas partículas estaba disponible para la reducción de oxígeno, aumentando la actividad de reducción de oxígeno del catalizador.

Además, los investigadores han estado investigando formas de reducir el contenido de CO del combustible de hidrógeno antes de que entre en una celda de combustible como una posible manera de evitar el envenenamiento de los catalizadores. Un estudio reciente reveló que las nanopartículas de núcleo de rutenio y platino son particularmente eficaces para oxidar el CO y formar CO2, un contaminante de combustible mucho menos dañino. El mecanismo que produce este efecto es conceptualmente similar al descrito para Pt3Ni anteriormente: el núcleo de rutenio de la partícula altera la estructura electrónica de la superficie de platino, haciéndola más capaz de catalizar la oxidación del CO.

Reducir el costeditar

El reto para la viabilidad de las pilas de combustible PEM sigue siendo hoy en día su coste y estabilidad. El alto costo puede atribuirse en gran parte al uso del metal precioso de platino en la capa catalizadora de las células PEM. El electrocatalizador representa actualmente casi la mitad del costo de la pila de combustible. Aunque la carga de Pt de las pilas de combustible de PEM se ha reducido en dos órdenes de magnitud en la última década, es necesaria una mayor reducción para que la tecnología sea económicamente viable para su comercialización. Mientras que algunos esfuerzos de investigación apuntan a abordar este problema mejorando la actividad electrocatalítica de los catalizadores basados en Pt, una alternativa es eliminar el uso de Pt por completo desarrollando un catalizador de cátodo sin grupo de platino (sin PGM) cuyo rendimiento compite con el de las tecnologías basadas en Pt. estadounidense. El Departamento de Energía ha establecido hitos para el desarrollo de pilas de combustible, apuntando a una durabilidad de 5000 horas y una actividad volumétrica ORR de catalizador sin PGM de 300 A cm-3.

Las alternativas prometedoras a los catalizadores basados en Pt son los catalizadores de metal / Nitrógeno / Carbono (catalizadores M/N/C). Para lograr una alta densidad de potencia, o salida de potencia sobre el área de superficie de la celda, se debe cumplir una actividad volumétrica de al menos 1/10 de la de los catalizadores basados en Pt, junto con buenas propiedades de transporte de masa. Si bien los catalizadores M/N/C todavía muestran actividades volumétricas más pobres que los catalizadores basados en Pt, los costos reducidos de dichos catalizadores permiten una mayor carga para compensar. Sin embargo, el aumento de la carga de los catalizadores M/N/C también hace que la capa catalítica sea más gruesa, lo que perjudica sus propiedades de transporte de masa. En otras palabras, H2, O2, protones y electrones tienen mayor dificultad para migrar a través de la capa catalítica, disminuyendo la salida de voltaje de la célula. Mientras que la alta microporosidad de la red catalítica M/N/C da como resultado una alta actividad volumétrica, las propiedades mejoradas de transporte de masa se asocian a la macroporosidad de la red. Estos materiales M/N/C se sintetizan utilizando pirólisis a alta temperatura y otros tratamientos a alta temperatura de precursores que contienen metal, nitrógeno y carbono.

Recientemente, los investigadores han desarrollado un catalizador Fe/N/C derivado de acetato de hierro (II) (FeAc), fenantrolina (Phen) y un huésped de estructura orgánica metálica (MOF). El MOF es un marco de imidazolato zeolítico Zn (II) (ZIF) llamado ZIF-8, que demuestra una alta superficie microporosa y un alto contenido de nitrógeno propicio para la actividad de ORR. Se encontró que la densidad de potencia del catalizador FeAc/Phen/ZIF-8 era de 0,75 W cm-2 a 0,6 V. Este valor es una mejora significativa sobre la densidad de potencia máxima de 0,37 W cm−2 de catalizadores M/N/C anteriores y está mucho más cerca de igualar el valor típico de 1,0−1,2 W cm-2 para catalizadores basados en Pt con una carga de Pt de 0,3 mg cm–2. El catalizador también demostró una actividad volumétrica de 230 A·cm−3, el valor más alto para catalizadores no PGM hasta la fecha, acercándose al hito del Departamento de Energía de los Estados Unidos.

Si bien la densidad de potencia alcanzada por el nuevo catalizador FeAc/Phen/ZIF-8 es prometedora, su durabilidad sigue siendo inadecuada para aplicaciones comerciales. Se informa que la mejor durabilidad exhibida por este catalizador aún tenía una caída del 15% en la densidad de corriente durante 100 horas en H2/aire. Por lo tanto, aunque los catalizadores no PGM basados en Fe rivalizan con los catalizadores basados en Pt en su actividad electrocatalítica, todavía hay mucho trabajo por hacer para comprender sus mecanismos de degradación y mejorar su durabilidad.