miércoles, 13 de junio de 2012

¿Dónde estan nuestros vehículos híbridos?

Esperando catalizadores comercialmente viables, al parecer

Con motor de hidrógeno el Chevrolet Equinox Fuel tiene un alcance de 321 kilómetros. Créditos: Wikimedia Commons/Aude.

Las celdas para auto son la fuente de energía para vehículos soñada: pueden utilizar hidrógeno y oxígeno como combustible y oxidante, respectivamente, produciendo electricidad y agua (más un poco de calor). En comparación con los alimentados por baterías de vehículos eléctricos, los vehículos impulsados ​​por hidrógeno ofrecen una mayor densidad de energía, lo que representa un mayor alcance y menor peso. Por supuesto, tienen sus desventajas -como la exigencia de una completa infraestructura de ductos para el hidrógeno y estaciones de abastecimiento-, pero el debate de celdas de combustible frente a las baterías sera en para otro día (y para la historia).

El primer vehículo que empleaba celdas de combustible de hidrógeno (General Motors / Chevrolet Electrovan) fue creado en 1966. Los investigadores han estado desarrollando celdas PEM (Proton Exchange Membrane) en los últimos 15 años. Pero ¿Por qué no vemos ninguno de estos coches en la carretera? En una sola palabra: catalizadores. A pesar del intenso desarrollo, los catalizadores utilizados en las celdas de combustible PEM no han alcanzado los niveles de rendimiento, tiempo de vida o costo para que sean comercialmente viables. En un número reciente de Nature, Mark Debe, científico en el Programa de Celdas en 3M resumió el progreso reciente y las perspectivas para los catalizadores de celdas de combustible, incluidas las cuestiones de fabricación posibles.

Los fundamentos


En primer lugar, ¿qué es un catalizador? ¿Cómo puede una celda de combustible trabajar? ¿Cuál es la velocidad del aire? Una pregunta a la vez, por favor.

En breve, una celda de combustible convierte directamente la energía química almacenada en un combustible (como hidrógeno) en electricidad a través de la reacción con un oxidante (típicamente, el oxígeno). Todas las celdas de combustible consisten en un ánodo, cátodo y electrolito, este último sirve para clasificar el tipo de celda de combustible (por ejemplo, en una celda de combustible PEM, el PEM es el electrolito) y permite que las cargas se muevan entre el ánodo y el cátodo.

En el caso del hidrógeno y oxígeno en una celda de combustible PEM, el hidrógeno se divide en el lado del ánodo en protones y electrones. Los protones viajan a través de la membrana de electrolito mientras que los electrones se mueven a través de un circuito externo de generación de una corriente eléctrica al cátodo, donde las moléculas de oxígeno reaccionan con los protones y electrones que llegan para crear agua.

Cada pila de combustible individual genera sólo una pequeña cantidad de electricidad (menos de un voltio), por lo general la "celda de combustible" es en realidad una batería con un par de cientos de celdas. Cada celda o conjunto de electrodos en la membrana, se componen de dos electrodos (ánodo y cátodo) emparejados al PEM, rodeados por capas porosas que permiten la difusión del gas que lleva el combustible además del aire dentro y fuera del agua.

La reacción global que ocurre en una celda de combustible es el mismo que cuando se quema hidrógeno: hidrógeno más oxígeno produce agua y energía. En ambos casos, la energía del sistema debe alcanzar un nivel de activación determinado antes de la reacción que la procede. En el caso de la combustión, esto se hace con una fuente de ignición, tales como una chispa a alta temperatura. Celdas de combustible PEM, por otro lado, funcionan a temperaturas mucho más bajas. Aquí es donde el catalizador entra en juego: se reduce eficazmente la energía de activación mediante el aumento de la velocidad de reacción sin ser consumida en el proceso. (Por el contrario, las celdas de combustible de óxido sólido operan a temperaturas mucho más altas y por tanto no necesitan un catalizador).

Los catalizadores más eficaces en las celdas de combustible de hidrógeno utilizan platino, tanto para el ánodo y el cátodo. Este es el problema (uno de los problemas, por lo menos): el platino es caro. En este momento, el costo es de más de $ 1,400 dolares por onza, justo debajo de la del oro. La mayoría de la investigación se centra en el catalizador de forma que se utilice menos platino (o nada en absoluto), mientras que al mismo tiempo se aumente el rendimiento y durabilidad.

Con todo esto en mente, echemos un vistazo a donde estamos ahora.

El rendimiento actual


Es posible que no se den cuenta, pero en realidad algunos coches que funcionan con hidrógeno están en el camino. El Departamento de Energía de EE.UU. (DOE) se asoció con un par de grandes fabricantes de automóviles (Ford, Hyundai, Kia, Daimler y GM) para poner a prueba un total de casi 200 vehículos. De acuerdo con informes del Departamento de Energía [PDF], estas flotas de prueba utilizan por lo menos 0.4 miligramos de platino por centímetro cuadrado solamente en el cátodo. El objetivo para 2017 es utilizar 0,125 miligramos por centímetro cuadrado de metales del grupo del platino (que incluye rutenio, rodio, paladio, osmio, iridio y platino) totales entre el ánodo y el cátodo. En un conjunto de celdas de combustible valorado en ocho kilovatios por gramo de platino, esto funciona a ocho gramos en total por vehículo, cerca de lo que se usa en los actuales motores de combustión interna (con convertidor catalítico).

De acuerdo con un plan técnico de DOE [PDF], a partir de 2011 hemos alcanzado una densidad de potencia de alrededor de 5.3 kilovatios por gramo de PGM, y casi  0.15 miligramos por metro cuadrado de PGM. Sin embargo, la estabilidad del catalizador aún  no es la que necesitamos, lo que limita la vida útil de por debajo del objetivo 5,000 horas (correspondiente a unos 150,000 km).

Hay dos enfoques convencionales basados ​​en el catalizador de platino. El primero utiliza "Pt black", que son partículas de platino extremadamente pequeñas que absorben la luz muy bien y aparecen en negro, con alta superficie -y proporcional volumen- ideal para un catalizador, cuando la actividad de la reacción se produce en la superficie. El segundo consiste en nanopartículas de platino repartidas en las partículas de carbono negro más grande. Sin embargo, estos dos enfoques requeriría demasiado platino para alcanzar el rendimiento y durabilidad, objetivos necesarios para su uso en celdas de combustible comercialmente viables.

Frente a la difícil tarea de mejorar el funcionamiento del catalizador, pero al mismo tiempo, con una cantidad igual o menor de platino, los investigadores decidieron diseñar simplemente nuevas nanopartículas de catalizador.

Los nuevos diseños de catalizador


Debe clasificarse a los nuevos diseños de catalizadores de platino en cuatro categorías. Los catalizadores de superficie ampliada, bastante auto-explicativos. Al aumentar el área superficial, mediante la aplicación de películas delgadas sobre las partículas o el uso de una película porosa, estos catalizadores pueden aumentar la actividad de reacción mientras se utiliza menos platino en el proceso.

El enfoque más prometedor en esta categoría parecen ser los catalizadores de película delgada nanoestructurada (NanoStructured Thin-Film NSTF). En éstos, una película delgada con algunas capas de aleaciones de platino en una capa cristalina pequeña y delgada, orgánica. Cada segmento es menor que un micrómetro de altura y 2,000 veces más fino que un cabello humano. Puesto que los catalizadores NSTF son tan delgados, el volumen es bajo, lo que resulta en una alta área superficial con bajo volumen. Además, al ser orgánicas no son conductores, evitando cualquier corriente eléctrica corrosiva.

La segunda categoría consiste en nanopartículas de platino o de aleaciones de platino con baja relación de aspecto negro de carbono o partículas de óxido. Esto es similar a la aproximación convencional usando nanopartículas de platino, excepto que ahora el tamaño y forma de las nanopartículas se controlan para aumentar la actividad de reacción y reducir la cantidad de platino. Los tamaños son del orden de nanómetros y las formas son octaedros, cubos y formas más exóticas como octaedros truncados.

Otro enfoque prometedor en esta categoría utiliza nanopartículas core-shell (imagine una esfera hueca). En éstos, la cantidad de platino se reduce significativamente, ya que se elimina del núcleo y la actividad de reacción se puede aumentar mediante el llenado del núcleo con un material que optimiza las propiedades de la superficie de platino. Materiales en el núcleo incluyen aleaciones de paladio y paladio con cobalto, hierro, iridio u oro, así como aleaciones de otros metales como el oro y níquel. Sin embargo hay algunos problemas por superar con estos catalizadores. El rendimiento de las celdas de combustible actuales no es tan alta en las pruebas de laboratorio y los investigadores necesitan desarrollar un proceso de fabricación escalable, capaz de generar las partículas sin dejar un agujero en la capa de platino (para proteger el núcleo de la lixiviación).

Otras categorías de nuevos catalizadores a base de platino incluyen nanopartículas en los soportes de alta relación de aspecto (como la fibra de carbono o nanotubos) y nanopartículas no compatibles (como los nanotubos de platino, solos o nanopartículas). No obstante no hay diseños de catalizadores específicos en cualquiera de ellos que hayan demostrado un rendimiento especialmente alto.

Finalmente ¿Qué hay de evitar el platino y sus altos costos? Los investigadores han investigado alternativas utilizando catalizadores de paladio y sus aleaciones, pero el rendimiento apenas puede llegar a los convencionales catalizadores basados ​​en platino. Además, el precio no es menor.

Recientemente, de acuerdo con Debe, evitando catalizadores de metales preciosos por completo, utilizando metales como cobalto y hierro han demostrado mejoras de rendimiento enormes. Por ejemplo, un catalizador del cátodo a base de hierro alcanzó aproximadamente un décimo de la densidad de corriente de base comparado con cátodos de platino. Sin embargo, la vida útil de tales catalizadores parece ser más corto a los potenciales de voltaje necesario para su uso en celdas de combustible de vehículos, por lo que en esta área zona todavía necesitan algo de trabajo.

Perspectivas


Teniendo en cuenta todos estos enfoques en diferentes fases de desarrollo, ¿cuáles son los más prometedores? Varios de los conceptos mencionados anteriormente basados en nanopartículas, en particular, el NSTF y la forma/tamaño de catalizadores controlados al parecer pueden lograr los niveles necesarios para alcanzar los objetivos del Departamento de Energía. Incluso los catalizadores platino/carbón disponibles en el mercado se acercan, aunque la durabilidad aún no está donde necesita estar.

Por supuesto, incluso la tecnología de catalizador más prometedora todavía esta por ser fabricada. Hasta ahora, la cantidad de catalizadores necesarios para el pequeño número de vehículos de prueba (menos de 200 para la estudios DOE) no suponen gran parte de un desafío. Los objetivos de costos del Departamento de Energía se basan en medio millón de vehículos con celdas de combustible producidos por año, y los números empiezan a ser mucho mayores si la tecnología es la difusión en un mercado mundial más grande.

Para demostrar las escalas implicadas en la fabricación de catalizadores para celdas de combustible en un gran número de vehículos, Debe anunció algunos números. La producción de quince millones de vehículos (diez por ciento del mercado mundial en 2030), necesitaría 4.5 mil millones de celdas de combustible individuales si cada batería contiene a su vez 300 celdas (cada una de unos 300 centímetros cuadrados de superficie). Teniendo en cuenta que opera la línea de producción a plena capacidad, se requiere alrededor de 11,700 celdas individuales por minuto en todo el mundo). Los coches que se producen, alrededor de uno por minuto en cada línea de producción, requieren 20 líneas de combustible que tendrían que producir 10 celdas de combustible en un segundo.

¿Qué pasa con el catalizador, del que hemos pasado tanto tiempo hablando? En la densidad de área de de platino de 0,1 miligramos por centímetro cuadrado, los electrodos tendrán menos de dos micrómetros de espesor empleando métodos de recubrimiento. Para producir el número de celdas de combustible necesarios, las líneas de producción tendrán que funcionar a 20 celdas por minuto. Para ello sería necesario lo extraído en kilogramos de platino en año y medio por hora, o casi $ 1.7 millones de dólares de platino en un día. Cada día, cada línea de fabricación. Esto puede parecer alto, pero es similar al coste de los metales del grupo del platino ya utilizados en los automóviles.

Según Debe, estos requisitos de fabricación se llevan a un enfoque catalizador de revestimiento similar a la que ya se utiliza para producir la mayoría de gafas recubiertas con película multi-capa: todo seco de revestimiento vacío. En ese sector, los fabricantes ya están haciendo 250 millones de metros cuadrados de vidrio al año, mucho más que los 135 millones de metros cuadrados de catalizador que se necesitarían.

Debe considera que, con base en el progreso actual, el comportamiento del catalizador alcanzará su punto máximo dentro de unos años muy por encima de los objetivos del Departamento de Energía para el año 2017. De hecho, sostiene que la mejora del rendimiento no debe ser el objetivo principal de los investigadores en este punto de los catalizadores ya están donde deben estar. En cambio, la investigación debe centrarse en la creación de catalizadores que no sólo lleguen a los objetivos de la durabilidad y el poder, pero puedan ser fabricados en grandes volúmenes.

Según el artículo, aún no hay motivos para el optimismo. Los acontecimientos recientes en nuevos tipos de catalizadores ofrecen un mayor rendimiento sin reducir la vida útil o el aumento de los costos. Sin embargo, se requieren pocos años antes para que los conceptos más recientes se puedan incorporar en las celdas de combustible, con el tema de la manufactura de alto volumen que se avecina en el horizonte.

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