Tipos alternativos de combustible líquido para pilas de combustible
Las pilas de combustible suelen utilizar hidrógeno comprimido como combustible; sin embargo, existen muchos combustibles líquidos que se pueden utilizar con pilas de combustible. Dependiendo del diseño del sistema, los tipos de combustible líquido pueden no ser tan eficientes como el hidrógeno puro porque es necesario «quitar» el hidrógeno de la molécula de combustible y luego usarlo en la celda de combustible. El hidrógeno se puede extraer de la molécula de combustible fuera o dentro de la pila de combustible. Algunos de los combustibles que se procesan dentro de la pila de combustible incluyen metanol, etanol y amoníaco. Estos se alimentan directamente a la pila de combustible y el hidrógeno se extrae de la molécula a través de la capa de catalizador de platino. El público considera que estos combustibles son más seguros que el hidrógeno y son fáciles de transportar y reponer cuando están vacíos. Una de las desventajas del uso de combustibles líquidos es que con el tiempo envenenan la capa del catalizador. El metanol, el etanol y el amoníaco también se pueden procesar a través de un reformador fuera de la pila de combustible para evitar envenenar el catalizador de la pila de combustible. En algunos sistemas de pilas de combustible es más fácil reemplazar el reformador (si es necesario) en lugar de las capas de catalizador dentro de la pila de combustible. El resto de esta publicación describe el uso de metanol, etanol y amoníaco con mayor detalle.
Metanol
El metanol (CH3OH) es un combustible a base de alcohol con una densidad energética mucho mayor que el hidrógeno comprimido. El metanol es un combustible atractivo para las pilas de combustible porque la cadena de suministro puede proporcionar fácilmente metanol para las pilas de combustible. Aproximadamente el 90 por ciento del metanol del mundo se fabrica a partir de gas de síntesis a partir de gas natural. El metanol también se puede producir a partir de materias primas distintas del petróleo, como el carbón y la biomasa. Aproximadamente el 75 por ciento del metanol se utiliza para productos químicos y el 25 por ciento restante se utiliza para combustibles.
El metanol es una opción popular como combustible alternativo por muchas razones:
• El metanol tiene una mayor densidad energética en comparación con el hidrógeno.
• Se percibe como un combustible más seguro que el hidrógeno.
• Puede reducir los costos de la infraestructura del hidrógeno.
Algunos estudios indican que las pilas de combustible alimentadas con metanol (DMFC) son la mejor opción para comercializar pilas de combustible porque la infraestructura actual no tiene que cambiar tanto como para el hidrógeno. Tampoco hay una percepción adversa sobre el metanol y ya se fabrica una gran cantidad. Otros estudios indican que será necesario gastar tanto en la creación de una infraestructura de metanol como en la infraestructura de hidrógeno.
Etanol
El etanol es un combustible atractivo para las pilas de combustible porque la cadena de suministro ya existe y es más fácil trabajar con él para los consumidores. El etanol es un líquido rico en hidrógeno que tiene una alta densidad energética en comparación con el metanol (8,0 kWh/kg frente a 6,1 kWh/kg). El etanol se puede producir a partir de una variedad de materias primas. En Estados Unidos, se produce principalmente a partir de maíz mediante un proceso de cocción, fermentación y destilación. Brasil utiliza la caña de azúcar como materia prima principal. Las plantas que tienen mayor rendimiento energético, como el pasto varilla y la caña de azúcar, son más efectivas para producir etanol que el maíz. Los futuros candidatos para la producción de etanol incluyen materias primas de celulosa y desechos agrícolas.
Al igual que el metanol, el etanol debe considerarse un combustible para pilas de combustible porque:
• El etanol tiene una alta densidad energética en comparación con el hidrógeno.
• Se percibe como un combustible más seguro que el hidrógeno.
• Puede reducir los costos de la infraestructura del hidrógeno.
Dado que el etanol puede derivarse de una variedad de fuentes biológicas (así como de combustibles fósiles), este combustible es una buena opción para superar los desafíos de almacenamiento e infraestructura de las celdas de combustible.
Amoníaco
El reformado con amoníaco es una opción que invita a la reflexión porque ofrece una combustión limpia a partir de una materia prima química que está disponible comercialmente como fertilizante. El amoníaco contiene 17,6 por ciento de átomos de hidrógeno en peso, lo que es similar al contenido en peso del metanol cuando se reforma utilizando la reforma por oxidación parcial. El reformado de amoníaco también tiene la ventaja de tener únicamente hidrógeno y nitrógeno como subproductos. El amoníaco se licua fácilmente bajo presión con una densidad líquida de 601 g/L a 300 K (equivalente a una densidad volumétrica del hidrógeno de 55 g/L). La licuefacción requiere una presión de sólo 10 bar a 300 K.
La reacción de craqueo de amoníaco es: NH3 ⇒ 1/2 N2 + 3/2 H2 (⌂H = +46,4 kJ/mol NH3)
La reacción se produce a más de 400 ºC, lo que requiere una fuente de calor externa ya que el escape de un PEM tradicional sale a sólo 80 ºC. Parte del hidrógeno en la corriente de salida del reformador se puede quemar para proporcionar la temperatura necesaria para el reformador y el calor necesario para el craqueo. También es posible ajustar la utilización del ánodo de la pila de combustible, de modo que la corriente de escape de la pila de combustible tenga suficiente valor calorífico del hidrógeno no consumido para suministrar el calor necesario si se quema.
Un problema con el uso de amoníaco como combustible es la concentración de amoníaco no disociado en el gas producto. Aunque la concentración es inferior a 50 ppm, todavía es suficiente para dañar las pilas de combustible con electrolitos ácidos, por lo que se necesita un depurador ácido para eliminar los últimos rastros de gas amoníaco del craqueador.
Conclusión
Se pueden utilizar muchos tipos de combustibles para diferentes tipos y sistemas de pilas de combustible. El tipo de combustible más limpio es el hidrógeno, pero existen muchos diseños de pilas de combustible que pueden utilizar otros combustibles. Los combustibles comunes incluyen hidrógeno, metanol, etanol y amoníaco. El uso de combustibles distintos del hidrógeno puede ser beneficioso para la comercialización de pilas de combustible en el corto plazo, pero el objetivo general de la tecnología de pilas de combustible es utilizar hidrógeno puro procedente de fuentes de energía renovables distintas de los combustibles fósiles.
