Mejoras directas en las pilas de combustible de metanol
Las pilas de combustible con membranas de electrolitos poliméricos son atractivas debido a su funcionamiento a baja temperatura y su construcción relativamente sencilla. La celda de combustible de membrana de electrolito polimérico (PEM) consta de dos electrodos catalizadores (el ánodo y el cátodo) separados por un electrolito polimérico. Los combustibles gaseosos se alimentan continuamente al ánodo (electrodo negativo), mientras que un oxidante (oxígeno del aire) se suministra continuamente al cátodo (electrodo positivo). En los electrodos tienen lugar reacciones electroquímicas para producir una corriente eléctrica. En la Figura 1 se muestra una representación esquemática de una pila de combustible de metanol directo (DMFC), que es un tipo de pila de combustible PEM.
Figura 1. Pila de combustible de metanol directo.
La pila de combustible de metanol directo (DMFC) se desarrolló para abordar el problema del almacenamiento de combustible de hidrógeno y eliminar la necesidad de un reformador para convertir el metanol en hidrógeno. La DMFC se clasifica como pila de combustible de membrana de intercambio de protones (PEMFC) porque también utiliza una membrana PEM. Sin embargo, además del platino, se deben agregar otros catalizadores como el rutenio (Ru) para romper el enlace metanol en la reacción anódica.
Las limitaciones para las pilas de combustible de metanol directo son (1) cruce de metanol del ánodo al cátodo a través del separador de membrana, (2) envenenamiento por monóxido de carbono, (3) alta polarización del ánodo para la oxidación del metanol y (3) sistemas diseño. En una celda de combustible de metanol directo alimentada con líquido, el exceso de metanol se suministra al lado del ánodo del conjunto de membrana-electrodo. Es deseable que todo o la mayor parte del metanol se difunda en el ánodo y reaccione. Se produce un fenómeno llamado «cruce de metanol» donde parte del metanol se difunde a través de la membrana de polímero-electrolito desde el ánodo al cátodo. La mayor parte del metanol que pasa al cátodo se oxidará electroquímicamente. Esta reacción de oxidación reduce el rendimiento de la celda y consume algunos de los reactivos del cátodo. Si se forma un intermedio de reacción, como monóxido de carbono, se adhiere a la superficie catalítica y el catalizador catódico se envenenará. Este fenómeno reduce el rendimiento del cátodo y la eficiencia del combustible y requiere el uso de una solución de alimentación de metanol diluida para minimizar el cruce.
En el DMFC de alimentación líquida existente, se suministra metanol diluido (2 a 3 molar, o 6,41 % a 9,61 % de metanol en volumen) al ánodo del conjunto de membrana del electrodo. En estas circunstancias, el metanol se difunde hacia el ánodo y reacciona parcialmente. El metanol restante sale del electrodo y se difunde a través de la membrana hasta el cátodo. La pérdida de combustible reduce la eficiencia y conduce a un rendimiento reducido del cátodo. La pérdida de metanol en el ánodo hace que la concentración en la superficie del catalizador disminuya cerca de la membrana, lo que introduce una resistencia a la transferencia de masa.
Componentes DMFC
Dado que las DMFC son una tecnología nueva en comparación con otras pilas de combustible, es necesario abordar varios problemas. Los DMFC deben volverse más compactos, livianos y rentables para satisfacer las demandas de energía de las aplicaciones portátiles. Los principales componentes que deben desarrollarse son la membrana polimérica, los electrodos, las placas bipolares y el subsistema de alimentación de metanol.
Membrana de electrolito de polímero
La membrana de electrolito polimérico suele constar de una estructura polimérica basada en PTFE, a la que están unidos grupos de ácido sulfónico. Las moléculas de ácido están fijadas al polímero y los protones pueden migrar libremente a través de la membrana. La membrana de polímero suele tener 175 micras y los electrodos suelen tener 2 milímetros de espesor. Hay muchas membranas poliméricas disponibles comercialmente que tienen un espesor de menos de 175 micrones, pero no han sido tan eficientes en la conducción de protones en el DMFC. Una metodología para reducir el cruce de metanol es mejorar la membrana polimérica investigando membranas comerciales, creando membranas compuestas de Nafion o aplicando un recubrimiento a Nafion.
Los electrodos
Los electrodos están hechos de una mezcla porosa de platino soportado con carbono o platino/rutenio. Para catalizar reacciones, las partículas del catalizador deben tener contacto con los conductores protónicos y eléctricos. También debe haber pasajes para que los reactivos lleguen a los sitios del catalizador y para que salgan los productos de la reacción. El punto de contacto de los reactivos, el catalizador y el electrolito se denomina convencionalmente interfaz trifásica. Para lograr velocidades de reacción aceptables, el área efectiva de los sitios del catalizador activo debe ser varias veces mayor que el área geométrica del electrodo. Por lo tanto, los electrodos se hacen porosos para formar una red tridimensional, en la que se ubican las interfaces trifásicas. El espesor de los electrodos suele ser de 0,45 mm (antes del prensado en caliente), con una carga de catalizador de entre 0,2 y 0,5 mg/cm2. La carga de catalizador es el factor limitante de costes para el DMFC. El costo de la pila DMFC sería menor si se redujera la cantidad de platino, se combinara con él otro elemento (más barato) o se reemplazara el platino. Se pueden examinar catalizadores alternativos para reducir la contaminación por monóxido de carbono y reducir el costo de la pila de DMFC.
Placas bipolares
En el DMFC, las placas bipolares separan los gases reactivos de las celdas adyacentes, conectan las celdas eléctricamente y actúan como una estructura de soporte. Las placas bipolares tienen canales de flujo de reactivos en ambos lados, formando los compartimentos anódico y catódico de las celdas unitarias en los lados opuestos de la placa bipolar.
La mayoría de las placas bipolares están hechas de acero inoxidable o grafito. Las placas de acero inoxidable son componentes pesados de un sistema de energía portátil. Las placas de grafito sólido son altamente conductoras, químicamente inertes y resistentes a la corrosión, pero son caras y costosas de fabricar. Los canales de flujo están mecanizados o grabados electroquímicamente en las superficies de la placa bipolar de grafito o acero inoxidable. Estos materiales no son adecuados para la producción en masa y, por tanto, se requieren nuevas placas bipolares. Los compuestos poliméricos son el material elegido porque son baratos, livianos y fáciles de fabricar.
Sistema de alimentación de metanol
El subsistema de alimentación de metanol puede consistir en bombas, sensores, filtros y componentes electrónicos para monitorear y limpiar los reactivos antes de alimentarlos a la celda de combustible. El metanol puede estar en forma líquida o gaseosa para optimizar la concentración del reactivo alimentado a la pila de combustible. En la Figura 2 se muestra un sistema de ejemplo.
Figura 2. Sistema de alimentación directa de metanol
Una breve descripción de los componentes en la Figura 2 es la siguiente:
• Flujo de aire oxidante: El aire oxidante se filtra en busca de partículas a medida que es absorbido por la celda de combustible desde la atmósfera. El transductor de presión de aire realiza un seguimiento de la presión del aire que ingresa a la celda de combustible. El aire oxidante se filtra nuevamente en busca de partículas antes de ingresar a la pila de celda de combustible.
• Flujo de metanol: La mezcla de metanol/agua se almacena en un depósito de metanol. Se requieren bombas para empujar el metanol fuera de su tanque de retención y ponerlo en circulación para que pueda viajar hasta la pila de celdas de combustible. Un mezclador asegura una solución uniforme de metanol y agua. El sensor de metanol le indicará al sistema de control la concentración de metanol (molaridad) que ingresará a la celda de combustible. El calentador de arranque en frío calentará el metanol a la temperatura deseada para obtener la relación vapor-líquido correcta. Se utilizarán termopares para medir la temperatura de la entrada de metanol.
• Salida de agua, metanol y CO2: la solución de agua, metanol y CO2 que sale de la pila de combustible se separa en sus componentes líquido y vapor a través de un separador de gas-líquido o un lecho empaquetado. La porción de gas se enfría (para separar el agua y el exceso de metanol del CO2) y luego se envía a agotamiento. La solución de agua/metanol se mantiene en un tanque de sumidero. Junto con el líquido del separador gas-fluido (agua/metanol), también se bombea agua/metanol desde el tanque del sumidero. Estos dos flujos se combinan y se alimentan a un radiador, que enfría la corriente antes de que entre en la corriente de flujo de metanol.
• Salida de aire/agua: una corriente de purga de aire/agua sale de la pila de celda de combustible a través de un filtro de partículas. El transductor de presión registra la presión de esta corriente. El aire se ventila y el agua restante va al tanque de sumidero. En la Figura 2 sólo se incluyen unos pocos sensores y transductores de presión. Un sistema de control completamente desarrollado puede consistir en termopares, transductores de presión, sensores de metanol, hidrógeno, oxígeno o altitud, y controladores de flujo másico, que medirán y registrarán datos, y utilizarán retroalimentación. para controlar la temperatura, la humedad, la presión o los caudales mediante un programa de control y adquisición de datos.
Conclusión
Aún es necesario realizar mucho trabajo de desarrollo para que las DMFC sean viables para aplicaciones comerciales. Las partes del sistema que requieren mayor desarrollo son el subsistema de alimentación de metanol, nuevos materiales para construir una pila de combustible compacta y económica y la optimización de procesos para un sistema más eficiente. El desarrollo exitoso del sistema de celdas de combustible de metanol directo conduciría a fuentes de energía pequeñas, portátiles y de bajo costo para el ejército.
