Uso de fenómenos de microtransporte en pilas de combustible MEM
Se ha dedicado mucho trabajo al desarrollo de fuentes de energía duraderas, eficientes y portátiles para futuras mejoras tecnológicas en dispositivos electrónicos comerciales, equipos de diagnóstico médico, comunicaciones móviles y aplicaciones militares. Todos estos sistemas requieren que la fuente de energía sea liviana, energéticamente eficiente y capaz de operar durante largos períodos de tiempo sin repostar. Los sistemas de energía portátiles a menudo consisten en baterías desechables alcalinas, de zinc-carbono o de dióxido de azufre y litio, o baterías recargables de plomo-ácido, níquel-cadmio o iones de litio. El equipo para el personal militar requiere una gran carga de baterías para mantener la energía en misiones de 72 horas. Además, las mejoras tecnológicas en la electrónica comercial se están desacelerando debido a la falta de fuentes pequeñas de alta energía para sostener las nuevas funciones durante largos períodos de tiempo. Las opciones actuales no son viables para estas aplicaciones portátiles porque son pesadas, poco prácticas y no cumplen con los requisitos de energía actuales.
Las pilas de combustible son conocidas por su alta densidad de energía, una variedad de fuentes de combustible y su facilidad de ampliación para requisitos específicos de la aplicación. Las pilas de combustible con membranas de electrolitos poliméricos han sido históricamente atractivas debido a su funcionamiento a baja temperatura y su construcción relativamente simple.
Las pilas de combustible de membrana de electrolito polimérico (PEM) convencionales constan 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. Celda de combustible de alimentación líquida de metanol directo (DMFC)
La pila de pilas de combustible PEM está formada por celdas repetidas separadas por placas bipolares. Aumentar el número de celdas en la pila aumenta el voltaje, mientras que aumentar el área de superficie de las celdas aumenta la corriente. La Figura 2 muestra una representación de una pila de pila de combustible tradicional.
Figura 2. Vista en despiece de una pila de pila de combustible con membrana de electrolito polimérico. (Imagen: 3M1)
El DMFC se desarrolló para abordar los problemas de almacenamiento de combustible de hidrógeno y eliminar la necesidad de un reformador para convertir el metanol en hidrógeno para que funcione una pila de combustible de 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.
Los principales obstáculos para las pilas de combustible de metanol directo son:
1. Secado de la membrana (especialmente a altas temperaturas)
2. Cruce de metanol del ánodo al cátodo a través del separador de membrana
3. Pérdidas por despolarización en el cátodo debido al cruce de metanol
4. Un método eficiente para distribuir metanol y aire a microescala.
5. Altos costos de los materiales de las pilas de combustible.
6. Diseño de sistemas
Algunos de estos problemas pueden minimizarse mediante la creación de un sistema de pila de combustible microelectromecánico (MEM). Los dispositivos MEMS varían de 20 micrómetros a un milímetro (es decir, de 0,02 a 1,0 mm) de tamaño, pero pueden tener entre 1 y 100 micrómetros. Muchas micropilas de combustible utilizan hasta la fecha la membrana de intercambio de protones tradicional (como Nafion®), pero este factor limita significativamente el tamaño de la pila de combustible.
Algunos de estos problemas pueden minimizarse mediante la creación de un sistema de pila de combustible microelectromecánico (MEM). Los dispositivos MEMS varían de 20 micrómetros a un milímetro (es decir, de 0,02 a 1,0 mm) de tamaño, pero pueden tener entre 1 y 100 micrómetros. Muchas micropilas de combustible utilizan hasta la fecha la membrana de intercambio de protones tradicional (como Nafion®), pero este factor limita significativamente el tamaño de la pila de combustible.
1. Desarrollar una celda de combustible DMFC sin membrana que producirá una pila liviana y rentable que tendrá un cruce mínimo de metanol, menor espesor y tamaño de la celda de combustible y problemas limitados de gestión del agua;
2. Desarrollar un método para distribuir metanol y oxígeno en los canales de flujo basado en la fuerza capilar generada por el tamaño de los microporos y;
3. Conecte los depósitos de combustible directamente al sistema de distribución de fluidos, en lugar de bombear el combustible a la celda de combustible desde un depósito separado.
Las propiedades de los líquidos a diferentes escalas se pueden utilizar para proporcionar una distribución óptima de los reactivos en toda la pila de combustible. En la literatura, el flujo laminar se ha utilizado para desarrollar micropilas de combustible con una interfaz difusiva y eliminar la necesidad de una membrana. El uso de fenómenos de microflujo puede mejorar significativamente las características de los sistemas de pilas de combustible portátiles y MEMS. El concepto aborda teóricamente los principales obstáculos asociados con las membranas de las pilas de combustible y permite el diseño de pilas de combustible MEMS más pequeñas con mayor energía y densidad de potencia.
Las pilas de combustible tradicionales utilizan placas de grafito u otras placas metálicas con campos de flujo mecanizados para dirigir y distribuir los gases o líquidos a través del platino para generar tantos protones y electrones de hidrógeno como sea posible. La mayoría de las pilas de combustible MEMS han utilizado una versión reducida del mismo enfoque. El método de distribuir metanol y oxígeno en la pila de combustible puede utilizar la fuerza capilar generada por los microporos.
El tamaño total del paquete de pila de combustible MEMS se puede reducir conectando los cartuchos de combustible directamente a los canales de combustible porosos. Muchos de los componentes de equilibrio de la planta que se utilizan actualmente con los dispositivos de pila de combustible MEMS son tanques de combustible, válvulas, bombas, etc., habituales a escala de laboratorio.
Para obtener las dimensiones óptimas de la capa de distribución de combustible y de la capa de pila de combustible sin membrana, se requiere un estudio de los fenómenos de transporte de los flujos de gas y líquido a través del sistema. Se pueden realizar modelos matemáticos para determinar las mejores características de flujo con flujo bifásico en los canales de flujo.
Para demostrar con éxito este tipo de sistema, el trabajo se puede dividir en fases:
1. Modelado de la geometría del canal de flujo para distribución de fluidos y flujo laminar para un solo canal (teniendo en cuenta el flujo bifásico)
2. Creación de celdas de combustible MEMS basadas en silicio que demuestren el concepto del modelo con técnicas conocidas de fotolitografía y procesamiento de semiconductores.
3. Conversión de pilas de combustible MEMS basadas en silicio en pilas de combustible basadas en polímeros con más experimentos con el sistema catalizador.
4. Creación del paquete final de pila de combustible de polímero con múltiples canales para flujo laminar
Trabajar en estas fases sentará las bases para desarrollar un proceso de fabricación sólido para micropilas de combustible sin membrana de alta densidad energética. Para obtener más información sobre esta tecnología, consulte las siguientes fuentes:
[1] Centro de motores electroquímicos, Departamento de Ingeniería Mecánica y Nuclear, Universidad Estatal de Pensilvania, 2002, M.M. Mench, Z.H Wang, K.Bhatia, C.Y. Wang, «Estudio experimental de una pila de combustible de metanol directo».
[2] Laboratorio de Propulsión a Chorro de la NASA, octubre de 1999, Dr. S. R. Narayanan, Implicaciones del cruce de metanol en pilas de combustible de metanol directo.
[3] Gottsfield, S. T. Zawodzinski, 1998, Capítulo PEFC en Avances en Ciencias e Ingeniería Electroquímica, Volumen 5, editado por R. Alkire, H. Gerisher, D. Kolb, C. Tobias, págs.
[4] K. Tomantshger, F., F. McCluskey, L. Optorto, A. Reid y K. Kordesch, 1986, J. Power Sources, 18,317,1986.
[5] CY Wang, MM. Mench, S. Thynell, Z.H. Wang y S. Boslet, agosto de 2001, “Estudio computacional y experimental de pilas de combustible de metanol directo”. En t. J. Fenómenos del transporte, vol. 3.
[6] Choban, Eric R., Larry J. Markoski, Andrzej Wieckowski, Paul J. A. Kenis. Pila de combustible de microfluidos basada en flujo laminar. Revista de fuentes de energía. 128 (2004) 54-60.
[7] DC Duffy, JC McDonald, OJA. Schueller, G.M. Lados blancos, anal. Química. 70 (1998) 4974 – 4984.
[8] Aravamudhan, Shyam, Abdur Rub, Abdur Rahman y Shekhar Bhansali. Una celda de combustible de etanol microdirecta, autocebante, independiente de orientación, basada en silicio poroso. Sensores y Actuadores A (Físicos). vol. 123-124 (2005). 497 – 504.
[9] Solicitud de Patente No. US 2006/0003217 A1. Pila de combustible de microcanal plana sin membrana. Cohen, J., Volpe, D., Westly, D., Perchenik, A. y H. Abruna. Pub. Fecha: 5 de enero de 2006.
[10] Choban, E., Waszczuk, P. y P. Kenis. Caracterización de factores limitantes en celdas de microcombustible sin membrana basadas en flujo laminar. Cartas Electroquímicas y de Estado Sólido, * (7) A348-A352 (2005).
Citas
1 Corporación 3M. https://www.3m.com/us/mfg_industrial/fuelcells/overview/pemfc.jhtml
