Debido a las crecientes necesidades energéticas de la humanidad y su impacto en el medio ambiente, en años recientes ha crecido el interés por diversificar las fuentes de energía eléctrica hacia sistemas más eficientes que aprovechen recursos renovables o desechos agroindustriales. En este sentido, se han realizado grandes esfuerzos por desarrollar sistemas electroquímicos conocidos como celdas de combustible. Estos dispositivos permiten aprovechar la energía química contenida en las moléculas de un combustible, como el hidrógeno o el etanol (un alcohol) y, convertirla directamente en electricidad por medio de reacciones electrocatalíticas. Este tipo de reactores electroquímicos pueden tener muchas aplicaciones entre las cuales están el transporte o la generación de potencia a pequeña escala.
Las celdas de combustible que utilizan directamente etanol son conocidas como celdas de combustible de alcohol directo ó DAFC (Direct alcohol fuel cells) y operan a temperaturas bajas, entre 60 y 90 °C. La ventaja del uso del etanol como combustible, es que puede ser producido fácilmente y de manera sustentable por la fermentación de residuos agroindustriales ricos en azúcares. La arquitectura de la DAFC es relativamente sencilla, está compuesta por una membrana polimérica con una alta conducción iónica que, a su vez, posee la propiedad de ser un aislante eléctrico. En este caso, funciona como un electrolito. Esta membrana polimérica se encuentra en contacto en cada uno de sus lados con electrodos porosos, constituidos por un material difusor, por ejemplo, tela o papel carbón, en el cual se ha depositado un catalizador basado en platino.
El funcionamiento básico de una DAFC comienza cuando se alimenta de combustible al ánodo, en este electrodo se oxidará electroquímicamente, generando protones (iones con carga eléctrica positiva), electrones (partículas subatómicas con carga eléctrica negativa), y CO2. Los protones migran al cátodo a través de la membrana; los electrones se mueven por medio de un circuito externo que permite aprovecharlos para realizar un trabajo eléctrico (prender un foco, un motor, cargar una batería, etc.) y posteriormente llegan al cátodo para que, junto con los protones, reduzcan al oxígeno del aire y produzcan agua. Las siguientes reacciones indican el proceso que sucede en cada uno de los electrodos y, de manera global en la DAFC :
Reacción de electrodo del ánodo: C2H5OH + 3H2O ⭢ 2CO2 + 12H+ + 12e–
Reacción de electrodo en el cátodo: 3O2 + 12H+ +12e– ⭢ 6H2O
Reacción global de la DAFC: C2H5OH + 3O2 ⭢ 2CO2 + 3H2O
Las celdas de alcohol son modulares, es decir, que pueden ser conectadas en serie en una pila de combustible hasta alcanzar la potencia eléctrica requerida. Son silenciosas y, además de electricidad, producen agua y calor. Asimismo, pueden ser instaladas cerca del lugar en que serán requeridas, disminuyendo costos en líneas de transmisión.
Por utilizar combustibles líquidos, las DAFC pueden utilizar las instalaciones empleadas en la red actual de distribución de combustibles.
En la Unidad de Energía Renovable del CICY se investigan nuevas arquitecturas de electrodos de celdas de combustible de alcohol directo, que permitan reducir o evitar los sistemas auxiliares para alimentación de combustibles o de oxígeno del aire. Estas DAFC se conocen como celdas pasivas, que aprovechan propiedades como el acenso de capilar —cuando un líquido se encuentra confinado dentro de un tubo capilar— y los cátodos son abiertos a la atmósfera. El CICY también trabaja en el desarrollo de nuevos electrocatalizadores basados en aleaciones metálicas, buscando reducir e incluso evitar el uso del platino.
Figura 1. Celda de combustible de alcohol directo desarrollada en la Unidad de Energía Renovable del CICY.
Agradecimiento al proyecto CONACYT-SENER-Sustentabilidad Energética-LENERSE No. 254667.
