Las pilas de combustible de metanol directo o DMFC son una subcategoría de pilas de combustible de intercambio de protones en las que se utiliza metanol como combustible. Su principal ventaja es la facilidad de transporte del metanol, un líquido denso en energía pero razonablemente estable en todas las condiciones ambientales.
Mientras que la eficiencia de conversión de energía termodinámica teórica de un DMFC es del 97%; [1] la eficiencia de conversión de energía alcanzable actualmente para las células operativas alcanza el 30% [2] - 40%. [3] Existe una intensa investigación sobre enfoques prometedores para aumentar la eficiencia operativa. [4]
Una versión más eficiente de una pila de combustible directa jugaría un papel clave en el uso teórico del metanol como medio de transporte de energía general, en la economía hipotética del metanol .
La célula
A diferencia de las pilas de combustible de metanol indirecto , donde el metanol se hace reaccionar con hidrógeno mediante reformado con vapor, las DMFC utilizan una solución de metanol (normalmente alrededor de 1 M , es decir, alrededor del 3% en masa) para transportar el reactivo a la pila; Las temperaturas de funcionamiento habituales oscilan entre 50 y 120 ° C, donde las altas temperaturas suelen estar presurizadas. Los propios DMFC son más eficientes a altas temperaturas y presiones, pero estas condiciones terminan provocando tantas pérdidas en el sistema completo que se pierde la ventaja; [5] por lo tanto, actualmente se prefieren las configuraciones de presión atmosférica.
Debido al cruce de metanol, un fenómeno por el cual el metanol se difunde a través de la membrana sin reaccionar, el metanol se alimenta como una solución débil: esto disminuye significativamente la eficiencia, ya que el metanol cruzado, después de llegar al lado del aire (el cátodo), inmediatamente reacciona con el aire; aunque se debaten las cinéticas exactas, el resultado final es una reducción del voltaje de la celda. El cruce sigue siendo un factor importante en las ineficiencias y, a menudo, la mitad del metanol se pierde en el cruce. El cruce de metanol y / o sus efectos pueden aliviarse mediante (a) el desarrollo de membranas alternativas (por ejemplo, [6] [7] ), (b) mejorando el proceso de electrooxidación en la capa de catalizador y mejorando la estructura del catalizador y capas de difusión de gas (p . ej. [8] ), y (c) optimizar el diseño del campo de flujo y el conjunto de electrodos de membrana (MEA) que se puede lograr mediante el estudio de las distribuciones de densidad de corriente (p . ej. [9] ).
Otros problemas incluyen la gestión del dióxido de carbono creado en el ánodo , el comportamiento dinámico lento y la capacidad de mantener el agua de la solución.
Los únicos productos de desecho con este tipo de pilas de combustible son el dióxido de carbono y el agua.
Solicitud
Los DMFC actuales tienen una potencia limitada que pueden producir, pero aún pueden almacenar un alto contenido de energía en un espacio pequeño. Esto significa que pueden producir una pequeña cantidad de energía durante un largo período de tiempo. Esto los hace inadecuados para impulsar vehículos grandes (al menos directamente), pero ideales para vehículos más pequeños como carretillas elevadoras y remolcadores [10] y bienes de consumo como teléfonos móviles , cámaras digitales o portátiles . Las aplicaciones militares de DMFC son una aplicación emergente ya que tienen firmas térmicas y de bajo ruido y no tienen efluentes tóxicos. Estas aplicaciones incluyen energía para equipos tácticos portátiles, cargadores de batería y energía autónoma para instrumentación de prueba y entrenamiento. Las unidades están disponibles con potencias de entre 25 vatios y 5 kilovatios con duraciones de hasta 100 horas entre repostajes.
Metanol
El metanol es un líquido de -97,6 ° C a 64,7 ° C a presión atmosférica. La densidad de energía volumétrica del metanol es un orden de magnitud mayor que incluso el hidrógeno altamente comprimido , aproximadamente dos veces mayor que el hidrógeno líquido y 2,6 veces mayor que las baterías de iones de litio . La densidad de energía por masa es una décima parte de la del hidrógeno, pero 10 veces mayor que la de las baterías de iones de litio. [11]
El metanol es ligeramente tóxico y altamente inflamable . Sin embargo, el Panel de Mercancías Peligrosas (DGP) de la Organización de Aviación Civil Internacional (OACI) votó en noviembre de 2005 para permitir que los pasajeros lleven y usen micro celdas de combustible y cartuchos de combustible de metanol cuando estén a bordo de aviones para alimentar computadoras portátiles y otros dispositivos electrónicos de consumo. El 24 de septiembre de 2007, el Departamento de Transporte de EE. UU. Emitió una propuesta para permitir que los pasajeros de las aerolíneas transporten cartuchos de pilas de combustible a bordo. [12] El Departamento de Transporte emitió un fallo final el 30 de abril de 2008, permitiendo a los pasajeros y la tripulación llevar una celda de combustible aprobada con un cartucho de metanol instalado y hasta dos cartuchos de repuesto adicionales. [13] Vale la pena señalar que el volumen máximo de cartucho de metanol de 200 ml permitido en la resolución final es el doble del límite de 100 ml de líquidos permitido por la Administración de Seguridad en el Transporte en bolsas de mano. [14]
Reacción
El DMFC se basa en la oxidación del metanol en una capa de catalizador para formar dióxido de carbono . El agua se consume en el ánodo y se produce en el cátodo . Los protones (H + ) se transportan a través de la membrana de intercambio de protones, a menudo hecha de Nafion , hasta el cátodo, donde reaccionan con el oxígeno para producir agua. Los electrones se transportan a través de un circuito externo desde el ánodo al cátodo, proporcionando energía a los dispositivos conectados.
Las semirreacciones son:
Ecuación | |
---|---|
Ánodo | oxidación |
Cátodo | reducción |
Reacción general | reacción quimica de óxidoreduccioón |
El metanol y el agua se adsorben en un catalizador generalmente hecho de partículas de platino y rutenio , y pierden protones hasta que se forma dióxido de carbono. Como el agua se consume en el ánodo en la reacción, el metanol puro no puede usarse sin el suministro de agua a través del transporte pasivo, como la retrodifusión ( ósmosis ), o el transporte activo , como el bombeo. La necesidad de agua limita la densidad energética del combustible.
El platino se utiliza como catalizador para ambas semirreacciones. Esto contribuye a la pérdida de potencial de voltaje de la celda, ya que se oxidará el metanol que esté presente en la cámara del cátodo. Si se pudiera encontrar otro catalizador para la reducción de oxígeno, el problema del cruce de metanol probablemente se reduciría significativamente. Además, el platino es muy caro y contribuye al elevado coste por kilovatio de estas células.
Durante la reacción de oxidación del metanol se forma monóxido de carbono (CO), que se adsorbe fuertemente sobre el catalizador de platino, reduciendo el número de sitios de reacción disponibles y por lo tanto el rendimiento de la celda. La adición de otros metales, como rutenio u oro , al catalizador de platino tiende a mejorar este problema. En el caso de los catalizadores de platino-rutenio, se cree que la naturaleza oxofílica del rutenio promueve la formación de radicales hidroxilo en su superficie, que luego pueden reaccionar con el monóxido de carbono adsorbido en los átomos de platino. El agua de la pila de combustible se oxida a un radical hidroxi mediante la siguiente reacción: H 2 O → OH • + H + + e - . El radical hidroxi luego oxida el monóxido de carbono para producir dióxido de carbono , que se libera de la superficie como un gas: CO + OH • → CO 2 + H + + e - . [15]
Usando estos grupos OH en las semirreacciones, también se expresan como:
Ecuación | |
---|---|
Ánodo | oxidación |
Cátodo | reducción |
Reacción general | reacción quimica de óxidoreduccioón |
Corriente de cruce
El metanol en el lado anódico generalmente se encuentra en una solución débil (de 1 M a 3 M), porque el metanol en concentraciones altas tiene la tendencia a difundirse a través de la membrana hasta el cátodo, donde su concentración es aproximadamente cero porque el oxígeno lo consume rápidamente. Las concentraciones bajas ayudan a reducir el cruce, pero también limitan la corriente máxima alcanzable.
La realización práctica suele ser que un circuito de solución entra en el ánodo, sale, se vuelve a llenar con metanol y vuelve al ánodo nuevamente. Alternativamente, las pilas de combustible con estructuras optimizadas se pueden alimentar directamente con soluciones de metanol de alta concentración o incluso metanol puro. [dieciséis]
Arrastre de agua
El agua en el bucle anódico se pierde debido a la reacción anódica, pero principalmente debido al arrastre de agua asociado: cada protón formado en el ánodo arrastra varias moléculas de agua al cátodo. Dependiendo de la temperatura y el tipo de membrana, este número puede estar entre 2 y 6.
Unidades auxiliares
Una celda de combustible de metanol directo suele ser parte de un sistema más grande que incluye todas las unidades auxiliares que permiten su funcionamiento. En comparación con la mayoría de los otros tipos de pilas de combustible, el sistema auxiliar de los DMFC es relativamente complejo. Las principales razones de su complejidad son:
- proporcionar agua junto con metanol haría que el suministro de combustible fuera más engorroso, por lo que el agua debe reciclarse en un circuito;
- El CO 2 debe eliminarse del flujo de solución que sale de la celda de combustible;
- el agua en el bucle anódico se consume lentamente por reacción y arrastre; es necesario recuperar agua del lado catódico para mantener un funcionamiento estable.
Ver también
- Membrana de intercambio de aniones alcalinos
- Electrodo de hidrógeno dinámico
- Pila de combustible
- Glosario de términos de pilas de combustible
- Combustibles liquidos
- Metanol (página de datos)
- Economía de metanol
- Aplicaciones de pilas de combustible portátiles
- Rudolf Schulten
Referencias
- ^ Umit B. Demirci (2007). "Revisión: pilas de combustible de alimentación líquida directa: preocupaciones ambientales y termodinámicas". Revista de fuentes de energía . 169 . doi : 10.1016 / j.jpowsour.2007.03.050 .
- ^ Ibrahim Dincer, Calin Zamfirescu (2014). "4.4.7 Pilas de combustible de metanol directo". Sistemas avanzados de generación de energía . doi : 10.1016 / B978-0-12-383860-5.00004-3 .
- ^ Keith Scott, Lei Xing (2012). "3.1 Introducción". Ingeniería de pilas de combustible . pag. 147. doi : 10.1016 / B978-0-12-386874-9.00005-1 .
- ^ Pasha Majidi; et al. (1 de mayo de 2016). "Determinación de la eficiencia de oxidación de metanol en una pila de combustible de metanol directo". Electrochimica Acta . 199 .
- ^ Dohle, H .; Mergel, J. & Stolten, D .: Gestión de calor y energía de un sistema de celda de combustible de metanol directo (DMFC), Journal of Power Sources, 2002, 111, 268-282.
- ^ Wei, Yongsheng; et al. (2012). "Una nueva membrana para DMFC - Membrana compuesta de nanotubos Na2Ti3O7 / Nafion®: Estudios de rendimiento". Revista Internacional de Energía de Hidrógeno . 37 (2): 1857–1864. doi : 10.1016 / j.ijhydene.2011.08.107 .
- ^ "Espacio seguro: mejora de las pilas de combustible de metanol" limpias "mediante una capa protectora de carbono" . Bioengineer.org . Consultado el 30 de diciembre de 2020 .
- ^ Matar, Saif; Hongtan Liu (2010). "Efecto del espesor de la capa de catalizador de cátodo sobre el cruce de metanol en un DMFC". Electrochimica Acta . 56 (1): 600–606. doi : 10.1016 / j.electacta.2010.09.001 .
- ^ Almheiri, Saif; Hongtan Liu (2014). "Medición separada de la densidad de corriente bajo tierra y canal en pilas de combustible de metanol directo". Revista de fuentes de energía . 246 : 899–905. doi : 10.1016 / j.jpowsour.2013.08.029 .
- ^ Planta de Tenn. Nissan utilizará metanol para reducir costos por ABC News.
- ^ "Hidrógeno y pilas de combustible: hacia un futuro energético sostenible". Política energética . 36 (12): 4356–4362. Diciembre de 2008. doi : 10.1016 / j.enpol.2008.09.036 .
- ^ El Departamento de Transporte de EE. UU. Se mueve para aprobar las celdas de combustible para el uso de aviones. Archivado 2009-02-11 en Wayback Machine , por FuelCellToday.
- ^ Materiales peligrosos: revisión de los requisitos para el transporte de baterías y dispositivos que funcionan con baterías; y Armonización con las Recomendaciones de las Naciones Unidas, el Código Marítimo Internacional de Mercancías Peligrosas y las Instrucciones Técnicas de la Organización de Aviación Civil Internacional Archivadas el 25 de julio de 2011 en Wayback Machine , por el Departamento de Transporte de EE. UU.
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- ^ Motoo, S .; Watanabe, M. (1975). "Electrólisis por átomos de Ad Parte II. Mejora de la oxidación de metanol en platino por átomos de anuncios de rutenio". Electroquímica y electroquímica interfacial . 60 : 267-273.
- ^ Li, Xianglin; Faghri. "Amir". Revista de fuentes de energía . 226 : 223–240. doi : 10.1016 / j.jpowsour.2012.10.061 .
Otras lecturas
- Merhoff, Henry y Helbig, Peter. Desarrollo y puesta en funcionamiento de una pila de combustible de metanol directo; Revista ITEA , marzo de 2010
enlaces externos
- Pila de combustible hoy. Un portal de Internet de noticias y artículos sobre desarrollos de pilas de combustible.
- 12º Pilas de combustible pequeñas. Conferencia anual sobre avances en la tecnología de pilas de combustible portátiles