Hispanopedia Wiki
Articulo de referencia

Pila de combustible de ácido fórmico

Las celdas de combustible de ácido fórmico ( celdas de combustible de ácido fórmico directo o DFAFC ) son una subcategoría de las celdas de combustible de alimentación líquida d...

Hispanopedia WikiContenido en espanolLectura gratuita

Las celdas de combustible de ácido fórmico ( celdas de combustible de ácido fórmico directo o DFAFC ) son una subcategoría de las celdas de combustible de alimentación líquida directa (DLFC), en las que el combustible líquido se oxida directamente (electroquímicamente) en el ánodo en lugar de reformarse para producir hidrógeno. Las celdas de combustible basadas en ácido fórmico representan un sistema de suministro de energía prometedor en términos de alta densidad de energía volumétrica, eficiencia energética teórica y voltaje teórico de circuito abierto. También pueden superar ciertos problemas inherentes a las celdas de combustible de alimentación de hidrógeno (H 2 ) tradicionales, como la manipulación, el almacenamiento y el transporte de H 2 seguros .

Hay tres tipos principales de DFAFC:

  • DFAFC activos, donde una bomba alimenta el combustible líquido al ánodo y el oxígeno del aire comprimido al cátodo.
  • DFAFC con respiración de aire activa, donde el cátodo está expuesto al oxígeno presente en el aire ambiente.
  • DFAFC con respiración pasiva de aire, donde no hay componentes mecánicos que inyecten combustibles y oxígeno a la celda.

La introducción de combustibles y aire en una celda aumenta su producción de energía, a costa del precio y del tamaño/portabilidad. [1]

En la actualidad, las principales aplicaciones de las DFAFC incluyen dispositivos electrónicos portátiles pequeños y de diagnóstico médico, así como aplicaciones de energía fija de mayor tamaño y vehículos eléctricos.

Abastecimiento de combustible

El ácido fólico se produce habitualmente mediante la reacción de CO con metanol en presencia de una base fuerte, seguida de la hidrólisis del formiato de metilo, la hidrólisis de la formamida y la acidólisis de las sales de formiato. Sin embargo, el ácido fólico también se puede producir de forma sostenible a partir de la electrorreducción directa de CO 2 , que neutraliza los impactos de la producción de CO 2 de la propia pila de combustible, reduciendo el impacto medioambiental. Las reacciones son las siguientes:

CO 2 + 2H + + 2e - → HCOO + (en ambiente ácido)

CO 2 + 2H + + 2e - → HCOOH (en ambiente neutro/alcalino) [1]

Comparación de DFAFC con otras fuentes de energía

Si bien se probaron varios combustibles para DLFC, el ácido fórmico (FA) ha recibido el mayor interés debido a sus características útiles, como alta densidad de energía volumétrica (53 g H 2 /L [2] ), voltaje de circuito abierto (1,48 V [3] ), alta eficiencia energética teórica (58% [2] ). Además, el almacenamiento de ácido fórmico es más fácil y seguro que el del hidrógeno puro , y el FA no necesita mantenerse a altas presiones y/o bajas temperaturas.

Al igual que el metanol , el ácido fórmico es una pequeña molécula orgánica que se introduce directamente en la pila de combustible, lo que elimina la necesidad de un reformado catalítico complicado . Sin embargo, en comparación con el metanol, tiene una menor toxicidad, una mejor cinética de oxidación y una mayor eficiencia de la pila de combustible, ya que el ácido fórmico no atraviesa la membrana de polímero. [4] Debido a su baja tendencia a cruzarse, el ácido fórmico se puede utilizar en concentraciones más altas que el metanol, lo que mitiga el inconveniente de la menor densidad de energía volumétrica (4,4 kWh/dm 3 frente a 2,13 kWh/dm 3 ). [5]

En la siguiente tabla se presenta una comparación de DFAFC con celdas de hidrógeno puro, celdas de metanol y gasolina para varias características:

Preocupaciones de seguridad de la FA

El ácido fórmico en una concentración del 85 % es inflamable y el ácido fórmico diluido figura en la lista de aditivos alimentarios de la Administración de Alimentos y Medicamentos de los Estados Unidos. El principal peligro del ácido fórmico es el contacto con la piel o los ojos con el líquido o los vapores concentrados. [4]

Reacciones

Las DFAFC convierten el ácido fórmico y el oxígeno en dióxido de carbono y agua para producir energía. La oxidación del ácido fórmico se produce en el ánodo de una capa de catalizador. Se forma dióxido de carbono y los protones (H + ) pasan a través de la membrana de polímero para reaccionar con el oxígeno en una capa de catalizador ubicada en el cátodo . Los electrones pasan a través de un circuito externo desde el ánodo al cátodo para proporcionar energía a un dispositivo externo.

A continuación se informan las reacciones directas del ánodo, cátodo y red del DFAFC: [1]

Ánodo: HCOOH → CO 2 + 2 H + + 2 e −
E 0 = -0,25 V (frente a SHE)
Cátodo: 1/2O 2 + 2 H + + 2 e − → H 2 O
E 0 = 1,23 V (en comparación con SHE)
Reacción neta: HCOOH + 1/2 O 2 → CO 2 + H 2 O
E 0 = 1,48 V (en comparación con SHE)

Vías reactivas alternativas

Si bien el mecanismo de reacción descrito en la sección anterior se utiliza comúnmente con fines explicativos simples, las vías químicas son en realidad más complicadas y están en el centro de la mayor parte de la investigación sobre DFAFC para optimizar su eficiencia. El efecto perjudicial y el envenenamiento causado por ciertas vías se pueden mitigar mediante el uso de catalizadores con la forma y morfología adecuadas, como Pt y/o aleaciones de Pt. [4]

Cátodo

Se ha investigado la reacción de reducción de oxígeno (ORR) que ocurre en el cátodo. Puede ocurrir a través de dos vías diferentes: una que implica la transferencia de cuatro electrones y la otra de dos. La primera da como resultado la formación de agua (H 2 O), mientras que la segunda genera peróxido de hidrógeno (H 2 O 2 ). Los radicales de peróxido de hidrógeno tienen efectos nocivos en el separador de membrana y, por lo tanto, su formación debe evitarse provisionalmente. [4]

Ánodo

El mecanismo de electrooxidación del ácido fórmico (FAEO) en el ánodo se ha investigado durante casi medio siglo sin llegar a una solución. Si bien los detalles aún se debaten, en general se acepta un mecanismo de FAEO en el que el mecanismo de oxidación consta de dos vías paralelas. La vía directa se produce a través de la reacción de deshidrogenación de HCOOH, mientras que la vía indirecta procede mediante la reacción de deshidratación para formar CO adsorbido como intermediario, que luego se oxida a CO 2 .

Vía directa: HCOOH → Intermedio activo → CO 2 + 2H + + 2e −

Vía indirecta: HCOOH → CO ads + H 2 O → CO 2 + 2H + + 2e −

La vía de oxidación indirecta ocurre a través de una reacción de deshidratación y forma temporalmente el intermedio tóxico COad, lo que reduce la eficiencia de la celda de combustible. [15]

Catalizadores utilizados en DFAFC

Cátodo

Las características importantes para un catalizador DFAFC en el cátodo son principalmente una alta actividad hacia ORR y tolerancia a FA, con el fin de evitar la caída de la eficiencia de la celda después de un posible cruce de FA. El material de elección es platino (Pt) sobre sustratos compuestos como TiO2 / C y nanofibras de CNx. Los catalizadores alternativos incluyen iridio (Ir) y aleaciones de Ir, junto con cobalto (Co) y hierro (Fe) depositados sobre nanotubos de carbono (CNT) dopados con nitrógeno. [4]

Ánodo

Los catalizadores basados ​​en platino (Pt) y paladio (Pd) son dos opciones de ánodos importantes para DFAFC.

La morfología de la superficie de las partículas de platino tiene un efecto sobre la reacción, ya que los escalones y las terrazas favorecen la vía directa deseable, mientras que las partículas planas dan lugar a la vía indirecta (indeseable).

En general, los catalizadores de Pd tienen una mayor tolerancia al CO, son más rápidos en la catálisis de ácidos grasos en dióxido de carbono y su densidad de potencia es mayor que la de sus contrapartes de Pt. Su desventaja es la formación de aglomerados y su rápida pérdida de función. [4]

Historia

En investigaciones anteriores, los investigadores descartaron el ácido fórmico como combustible práctico debido al alto sobrepotencial mostrado por los experimentos: esto significaba que la reacción parecía ser demasiado difícil para ser práctica. Sin embargo, en 2005-2006, otros investigadores (en particular el grupo de Richard Masel en la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign ) descubrieron que la razón del bajo rendimiento era el uso de platino como catalizador , ya que es común en la mayoría de los otros tipos de celdas de combustible. Utilizando paladio en su lugar, afirman haber obtenido un mejor rendimiento que las celdas de combustible de metanol directo equivalentes . [15] En abril de 2006, Tekion [16] poseía la licencia exclusiva para la tecnología de celdas de combustible DFAFC que utiliza membranas PEM y combustible de ácido fórmico de la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign, y con una inversión de Motorola , [17] se estaba asociando con BASF para diseñar y fabricar paquetes de energía a fines de 2007, [18] pero el desarrollo parece haberse estancado y casi toda la información fue eliminada del sitio web de Tekion antes del 24 de abril de 2010.

Neah Power Systems, Inc. y Silent Falcon UAS Technologies trabajaron juntas para integrar la tecnología de celdas de combustible de reformador de ácido fórmico en el sistema aéreo no tripulado (UAS) del Silent Falcon, también conocido como "dron". [19] [20]

En 2018, se publicó un trabajo que abordaba la cuestión de requerir un alto sobrepotencial mediante catalizadores de platino de un solo átomo de oro. [21]

Véase también

Referencias

  1. ^ abc Ma, Zhenni; Legrand, Ulrich; Pahija, Ergys; Tavares, Jason R.; Boffito, Daria C. (20 de enero de 2021). "De CO2 a pilas de combustible de ácido fórmico". Investigación en química industrial e ingeniería . 60 (2): 803–815. doi :10.1021/acs.iecr.0c04711. ISSN  0888-5885. S2CID  230551252.
  2. ^ ab Eppinger, Jörg; Huang, Kuo-Wei (13 de enero de 2017). "Ácido fórmico como portador de energía de hidrógeno". ACS Energy Letters . 2 (1): 188–195. doi :10.1021/acsenergylett.6b00574. hdl : 10754/623086 . ISSN  2380-8195.
  3. ^ Elnabawy, Ahmed O.; Herron, Jeffrey A.; Liang, Zhixiu; Adzic, Radoslav R.; Mavrikakis, Manos (19 de abril de 2021). "Electrooxidación de ácido fórmico en monocapas de Pt o Pd sobre monocristales de metales de transición: un análisis de sensibilidad estructural de primeros principios". ACS Catalysis . 11 (9): 5294–5309. doi :10.1021/acscatal.1c00017. ISSN  2155-5435. OSTI  1835132. S2CID  234865108.
  4. ^ abcdef Bhaskaran, Rashmi; Abraham, Bincy George; Chetty, Raghuram (marzo de 2022). "Avances recientes en electrocatalizadores, mecanismos y arquitectura celular para celdas de combustible de ácido fórmico directo". WIREs Energy and Environment . 11 (2). doi :10.1002/wene.419. ISSN  2041-8396. S2CID  244608995.
  5. ^ ab Maslan, Nur Hidayah; Rosli, Masli Irwan; Masdar, Mohd Shahbudin (noviembre de 2019). "Modelado CFD tridimensional de una pila de combustible de ácido fórmico directo". Revista Internacional de Energía del Hidrógeno . 44 (58): 30627–30635. doi :10.1016/j.ijhydene.2019.01.062. ISSN  0360-3199. S2CID  145950088.
  6. ^ Yin, Min; Li, Qingfeng; Jensen, Jens Oluf; Huang, Yunjie; Cleemann, Lars N.; Bjerrum, Niels J.; Xing, Wei (diciembre de 2012). "Electrocatalizadores de Pd y Pd–Co promovidos con carburo de tungsteno para electrooxidación con ácido fórmico". Journal of Power Sources . 219 : 106–111. Bibcode :2012JPS...219..106Y. doi :10.1016/j.jpowsour.2012.07.032. ISSN  0378-7753. S2CID  97664243.
  7. ^ Hong, Ping; Zhong, Yiliang; Liao, Shijun; Zeng, Jianhuang; Lu, Xueyi; Chen, Wei (julio de 2011). "Una pila de combustible de ácido fórmico directo en miniatura de 4 celdas con depósito de combustible independiente: investigación de diseño y rendimiento". Journal of Power Sources . 196 (14): 5913–5917. Bibcode :2011JPS...196.5913H. doi :10.1016/j.jpowsour.2011.03.014. ISSN  0378-7753.
  8. ^ James, Brian David; DeSantis, Daniel Allan; Saur, Genevieve (30 de septiembre de 2016). "Informe final: Análisis de costos de las vías de producción de hidrógeno (2013-2016)". doi : 10.2172/1346418 . OSTI  1346418. {{cite journal}}: Requiere citar revista |journal=( ayuda )
  9. ^ "Energía inteligente: Suzuki exhibe un scooter de pila de combustible en la feria de Tokio". Fuel Cells Bulletin . 2009 (12): 3. Diciembre 2009. doi :10.1016/s1464-2859(09)70382-7. ISSN  1464-2859.
  10. ^ Abderezzak, Bilal (2018), "Introducción a la tecnología del hidrógeno", Introducción a los fenómenos de transferencia en celdas de combustible PEM , Elsevier, págs. 1–51, doi :10.1016/b978-1-78548-291-5.50001-9, ISBN 9781785482915, consultado el 16 de noviembre de 2022
  11. ^ Kang, Jee Eun; Brown, Tim; Recker, Will W.; Samuelsen, G. Scott (febrero de 2014). "Reabastecimiento de vehículos con pilas de combustible de hidrógeno con 68 estaciones de reabastecimiento propuestas en California: medición de las desviaciones de los patrones de viaje diarios". Revista internacional de energía del hidrógeno . 39 (7): 3444–3449. doi :10.1016/j.ijhydene.2013.10.167. ISSN  0360-3199. S2CID  54986038.
  12. ^ Methanol Institute.org/methanol-price-supply-demand/ "Precio del metanol". {{cite web}}: Verificar |url=valor ( ayuda )
  13. ^ Sebastián, David; Baglio, Vincenzo; Aricò, Antonino S.; Serov, Alexey; Atanassov, Plamen (marzo de 2016). "Análisis del rendimiento de un catalizador de metal del grupo no platino basado en hierro-aminoantipirina para celdas de combustible de metanol directo". Catálisis Aplicada B: Medioambiental . 182 : 297–305. doi :10.1016/j.apcatb.2015.09.043. ISSN  0926-3373.
  14. ^ Xia, C (2018). "Una batería de litio-oxígeno de alta densidad energética basada en una conversión reversible de cuatro electrones a óxido de litio". Science . 361 (6404): 777–781. Bibcode :2018Sci...361..777X. doi : 10.1126/science.aas9343 . PMID  30139868. S2CID  52073409.
  15. ^ ab S. Ha, R. Larsen y RI Masel (2005). "Caracterización del rendimiento del nanocatalizador de Pd/C para pilas de combustible de ácido fórmico directo". Journal of Power Sources . 144 (1): 28–34. Bibcode :2005JPS...144...28H. doi :10.1016/j.jpowsour.2004.12.031.{{cite journal}}: CS1 maint: varios nombres: lista de autores ( enlace )
  16. ^ "Inicio". tekion.com .
  17. ^ "Motorola invierte en una startup de celdas de combustible". 66mobile.com. 13 de noviembre de 2005. Consultado el 12 de marzo de 2014 .
  18. ^ "La pila de combustible de ácido fórmico recibe un impulso". Procesamiento químico. 2006-04-27 . Consultado el 2014-03-12 .
  19. ^ Número de noviembre/diciembre de 2014 de Aerospace Manufacturing and Design , onlineamd.com [ cita completa necesaria ]
  20. ^ "Neah Power se asocia para integrar celdas de combustible en vehículos aéreos no tripulados | UASMagazine.com". uasmagazine.com . Consultado el 19 de agosto de 2022 .
  21. ^ Zhang, Peng; Zheng, Nanfeng; Jiang, De-en; Chen, Shaowei; Almarhoon, Zainab; Aldalbahi, Ali; Regier, Tom; Yuan, Jun; Zhao, Xiaojing; Fung, Victor; Deming, Christopher P.; Li, ZY; Duchesne, Paul N. (1 de noviembre de 2018). "Electrocatalizadores de platino de sitio atómico único dorado" (PDF) . Nature Materials . 17 (11): 1033–1039. Bibcode :2018NatMa..17.1033D. doi :10.1038/s41563-018-0167-5. PMID  30250176. S2CID  205566105.
Retrieved from "https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Formic_acid_fuel_cell&oldid=1189073391"