pila de combustible de metanol directo

Las pilas de combustible de metanol directo ( DMFC) son una subcategoría de pilas de combustible de membrana de intercambio protónico en las que se utiliza metanol como combustible y un polímero conductor de protones especial como membrana (PEM). Su principal ventaja reside en su funcionamiento a bajas temperaturas y la facilidad de transporte del metanol, un líquido con alta densidad energética y, a la vez, razonablemente estable en cualquier condición ambiental.

Si bien la eficiencia de conversión de energía termodinámica teórica de una DMFC es del 97%; ^{[ 1 ]} a partir de 2014 la eficiencia de conversión de energía alcanzable para celdas operativas llega al 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 desempeñaría un papel clave en el uso teórico del metanol como medio general de transporte de energía, en la hipotética economía del metanol .

A diferencia de las celdas de combustible de metanol indirectas , donde el metanol reacciona con hidrógeno mediante reformado con vapor , las DMFC utilizan una solución de metanol (generalmente alrededor de 1 M , es decir, aproximadamente un 3 % en masa) para transportar el reactivo a la celda; las temperaturas de operación comunes están en el rango de 50 a 120 °C (122 a 248 °F) , donde las altas temperaturas generalmente se realizan a presión. Las DMFC en sí mismas son más eficientes a altas temperaturas y presiones, pero estas condiciones terminan causando tantas pérdidas en el sistema completo que la ventaja se pierde; ^{[ 5 ]} por lo tanto, actualmente se prefieren las configuraciones a presión atmosférica.  

Debido al paso 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 que atraviesa la membrana, después de llegar al lado del aire (el cátodo), reacciona inmediatamente con el aire; aunque la cinética exacta es objeto de debate, el resultado es una reducción del voltaje de la celda. El paso de metanol sigue siendo un factor importante en las ineficiencias, y a menudo se pierde la mitad del metanol por este motivo. El paso de metanol y/o sus efectos pueden mitigarse mediante (a) el desarrollo de membranas alternativas (por ejemplo, ^{[ 6 ] [ 7 ]} ), (b) la mejora del proceso de electrooxidación en la capa catalítica y la mejora de la estructura de las capas catalítica y de difusión de gas (por ejemplo , ^{[ 8 ]} ), y (c) la optimización del diseño del campo de flujo y del conjunto membrana-electrodo (MEA), lo cual puede lograrse estudiando las distribuciones de densidad de corriente (por ejemplo, ^{[ 9 ]} ).

Otros problemas incluyen la gestión del dióxido de carbono generado en el ánodo , el comportamiento dinámico lento y la capacidad de mantener la solución acuosa.

Los únicos residuos que generan este tipo de pilas de combustible son dióxido de carbono y agua.

Las DMFC actuales tienen limitaciones en la potencia que pueden producir, pero aún pueden almacenar un alto contenido energético en un espacio pequeño. Esto significa que pueden producir una pequeña cantidad de energía durante un período prolongado. Esto las hace poco adecuadas para alimentar 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 computadoras portátiles . Las aplicaciones militares de las DMFC son una aplicación emergente debido a que tienen baja emisión de ruido y firmas térmicas y no generan efluentes tóxicos. Estas aplicaciones incluyen energía para equipos tácticos portátiles, cargadores de baterías y energía autónoma para instrumentación de prueba y entrenamiento. Hay unidades disponibles con potencias de salida entre 25 vatios y 5 kilovatios con duraciones de hasta 100 horas entre recargas. Especialmente para potencias de salida de hasta 0,3  kW, la DMFC es adecuada. Para una potencia de salida superior a 0,3  kW, la celda de combustible de metanol indirecta presenta una mayor eficiencia y es más rentable. ^{[ 11 ]} La congelación de la mezcla líquida de metanol y agua en la pila a baja temperatura ambiente puede ser problemática para la membrana de la DMFC (a diferencia de la celda de combustible de metanol indirecta).

El metanol es un líquido que se encuentra entre −97,6 y 64,7 °C (−143,7 y 148,5 °F) a presión atmosférica. La densidad de energía volumétrica del metanol es un orden de magnitud mayor que la del hidrógeno, incluso altamente comprimido , aproximadamente el doble que la del hidrógeno líquido y 2,6 veces mayor que la de las baterías de iones de litio . La densidad de energía por unidad de masa es una décima parte de la del hidrógeno, pero 10 veces mayor que la de las baterías de iones de litio. ^{[ 12 ]}  

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 a favor de permitir que los pasajeros transportaran y utilizaran microceldas de combustible y cartuchos de metanol a bordo de los aviones para alimentar computadoras portátiles y otros dispositivos electrónicos de consumo. El 24 de septiembre de 2007, el Departamento de Transporte de los Estados Unidos emitió una propuesta para permitir que los pasajeros de las aerolíneas llevaran cartuchos de celdas de combustible a bordo. ^{[ 13 ]} El Departamento de Transporte emitió una resolución final el 30 de abril de 2008, que permite a los pasajeros y la tripulación transportar una celda de combustible aprobada con un cartucho de metanol instalado y hasta dos cartuchos de repuesto adicionales. ^{[ 14 ]} Cabe destacar que el volumen máximo de 200 ml permitido para los cartuchos de metanol en la resolución final es el doble del límite de 100 ml para líquidos permitido por la Administración de Seguridad del Transporte en el equipaje de mano. ^{[ 15 ]}

La celda de combustible de metanol directo (DMFC) se basa en la oxidación del metanol sobre una capa catalítica 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, generalmente 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: ^{[ 16 ]}

El metanol y el agua se adsorben en un catalizador, generalmente compuesto de partículas de platino y rutenio , y pierden protones hasta que se forma dióxido de carbono. Dado que el agua se consume en el ánodo durante la reacción, el metanol puro no puede utilizarse sin un aporte de agua, ya sea mediante transporte pasivo, como la retrodifusión ( ósmosis ) , o transporte activo , como el bombeo. La necesidad de agua limita la densidad energética del combustible.

El platino se utiliza como catalizador en ambas semirreacciones. Esto contribuye a la pérdida de potencial de voltaje de la celda, ya que cualquier metanol presente en la cámara del cátodo se oxida. Si se pudiera encontrar otro catalizador para la reducción de oxígeno, el problema del paso de metanol probablemente se reduciría significativamente. Además, el platino es muy caro y contribuye al alto costo por kilovatio de estas celdas.

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 mitigar este problema. En el caso de los catalizadores de platino-rutenio, se cree que la naturaleza oxófila 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 en la celda de combustible se oxida a un radical hidroxilo mediante la siguiente reacción: H₂O ^→ _OH • + H⁺ ⁺ e⁻ ^. El radical hidroxilo oxida entonces el monóxido de carbono para producir dióxido de carbono , que se libera de la superficie como un gas: CO + OH• → CO₂ ₊ H⁺ ⁺ e⁻ ^. [ ^{17 ]}

Utilizando estos grupos OH en las semirreacciones, también se expresan como:

Una pila de combustible de metanol directo suele formar parte de un sistema más amplio que incluye todas las unidades auxiliares que permiten su funcionamiento. En comparación con la mayoría de los demás tipos de pilas de combustible, el sistema auxiliar de las pilas de combustible de metanol directo es relativamente complejo. Las principales razones de su complejidad son:

• Suministrar agua junto con el metanol haría que el suministro de combustible fuera más engorroso, por lo que el agua debe reciclarse en un circuito cerrado;
• Es necesario eliminar el CO ₂ del flujo de solución que sale de la celda de combustible;
• El agua en el circuito anódico se consume lentamente por reacción y fricción; es necesario recuperar agua del lado catódico para mantener un funcionamiento estable.

• Merhoff, Henry y Helbig, Peter. Desarrollo y puesta en marcha de una pila de combustible de metanol directo; ITEA Journal , marzo de 2010.

• Noticias sobre pilas de combustible hoy. Un portal de internet con noticias y artículos sobre los avances en pilas de combustible.
• XII.ª Conferencia sobre Pilas de Combustible Pequeñas. Conferencia anual sobre los avances en la tecnología de pilas de combustible portátiles. Archivado el 3 de marzo de 2012 en Wayback Machine.