Pilas de combustible

JUSTIFICACION

Actualmente es notable el deterioro del planeta, la contaminación generada por la humanidad ha sido el actor principal de este suceso que ha dado lugar al cambio climático reflejado en la  escasez de agua, extinción de animales y plantas, deforestación, etc… como se expresa en (Cordero, G. D. (2012)) Ahora bien, la contaminación puede realizarse de distintas maneras y una de esas es la contaminación debido a la producción y consumo de energía mediante combustibles fósiles, ya que este método de producción y consumo de energía emite diversos gases (principalmente el dióxido de carbono) que quedan en la atmosfera producto del proceso de equilibrio en la misma,  proceso conocido como efecto invernadero. (Muñoz Gómez, Á. (2022)).  A nivel mundial más del 80% de la  energía que se consume proviene de combustibles fósiles  tales como petróleo, carbón, gas natural, entre otros. (Quemada, J. M. M., & González, E. S. M. (2011)).  El porcentaje de dióxido de carbono emitido por estos combustibles es bastante alto lo que lo hace el responsable de generar el calentamiento de los océanos y del aire como consecuencia además de agotar tales recursos naturales con el riesgo de afectar la oferta y demanda de energía (Mondragón, F. (2021)).

De acuerdo con lo anterior se hace necesario encontrar medios de producción de energía limpia, renovable y que no afecte al medio ambiente o que por lo menos el impacto sea altamente significativo con respecto a los medios tradicionales. Existen diversas formas de generar energía limpia y renovable como por ejemplo, energía solar, energía eólica, etc… pero, este artículo se basara particularmente en las células de combustible de tipo DMFC (células de combustible de metanol directo).

Las células de combustible son dispositivos que mediante un proceso electroquímico convierten energía química en energía eléctrica, estos dispositivos están conformados por dos electrodos positivos (ánodo y cátodo) donde se producen las reacciones químicas de oxidación del combustible y la reducción de oxígeno respectivamente, los electrodos están separados por una electrolito donde las moléculas del combustible separan sus protones en dirección al cátodo a través del electrolito y electrones en dirección al circuito de salida de corriente generando así energía eléctrica. Los protones llegan al cátodo para combinarse y formar subproductos como principalmente agua, dióxido de carbono y calor. Aunque hay varios tipos de células de combustible su  principio de operatividad es el mismo. (Castrillo1a, E. D. R., Pabón, 2018)(Tawil I.H., 2008)

“Las pilas de combustible pueden producir de manera eficiente electricidad a partir de una serie de combustibles domésticos, incluyendo bio-gas, gas natural, propano, metanol, Diésel, y el hidrógeno. Y debido a que se pueden construir a una variedad de escalas, las celdas de combustible pueden proporcionar energía para prácticamente cualquier aplicación”. (Rodriguez, 2014).

Las DMFC de igual forma se conforman por ánodo (generalmente compuesto de aleación de Pt/Ru), cátodo (compuesto generalmente de Ru) separados por un electrolito que en este caso es una membrana de intercambio protónico (PEM, generalmente Nafión 117). La sección de cada electrodo se divide en 3 partes, capa de flujo, capa de difusión y capa catalítica. El combustible utilizado en esta tecnología, como su nombre lo indica es metanol líquido que entra por el ánodo donde se oxida mediante el catalizador luego de distribuirse y difundirse a través de capa de flujo  y capa de difusión respectivamente. Los protones se separan y se transportan mediante la membrana alcanzando el cátodo generando agua y dióxido de carbono como producto de la reacción con el oxígeno, mientras los electrones se transportan a través de la capa catalítica del ánodo hasta llegar al cátodo pero no por la membrana si no mediante un circuito externo por donde se emite la energía producida. Entre la variedad de células de combustible, estudiar las DMFC es una de las mejores opciones ya que contribuye a la reducción del impacto ambiental negativo dado que no produce óxidos de azufre o nitrógeno, además, le combustible empleado tiene ventajas por encima del hidrogeno  como por ejemplo su costo, mayor densidad de energía, manipulación, solubilidad en electrolitos acuosos, almacenamiento y transporte debido a que el hidrogeno es un gas altamente inflamable lo cual es un riesgo para la humanidad y el planeta. Entre sus aplicaciones está en su mayoría en dispositivos portátiles, algunas aplicaciones en el sector automotriz y tecnología militar. (Giorgi, L., & Leccese, F. (2013))(Orazi, 2017). (Escudero Cid, R. (2015)) (Castrillo1a, E. D. R., Pabón, 2018)

En la literatura se encuentra diversos reportes del funcionamiento de las DMFC en modo experimental, bajo la variación de parámetros tales como el electrolito , como se evidencia en (Li, X., Chao, T., Duan, Y. E., Qu, Y., Liu, Y., & Tan, Q. (2021).),( Santiago, O., Mosa, J., Escribano, P. G., Navarro, E., Chinarro, E., Aparicio, M., ... & del Rio, C. (2020)),( Simari, C., Enotiadis, A., Vecchio, C. L., Baglio, V., Coppola, L., & Nicotera, I. (2020)) catalizadores, temperaturas y presiones como se propone en (Abdullah, F. A., Kamarudin, S. K., Zainoodina, A. M., & Masdar, M. S. (2020)), (Govindarasu, R., & Somasundaram, S. (2020)), (Yang, C., Jiang, Q., Huang, H., He, H., Yang, L., & Li, W. (2020)),( Gogel, V., Sakthivel, M., Bender, J., Salzmann, B., Kerres, J., Scholta, J., & Drillet, J. F. (2019)), etc…, pero sobre el modelamiento de las DMFC es escaso y más aún sobre los reportes en función del tiempo de acuerdo a la interacción dinámica de las concentraciones de metanol, dióxido de carbono y sobrepotenciales tanto en el ánodo, cátodo y la membrana PEM.  El modelo de las DMFC está conformado por un sistema de ecuaciones diferenciales ordinarias acopladas no lineales de balance de masa y energía, ecuaciones en derivadas parciales de tipo convección- difusión para describir el flujo de metanol a través de la membrana y de relaciones algebraicas que se describen a partir de los mecanismos de reacción química que suceden en el ánodo y cátodo (Sundmacher, K., Schultz, T., Zhou, S., Scott, K., Ginkel, M., & Gilles, E. D. (2001)). De lo anterior, se evidencia la dificultad para resolver de forma analítica el sistema y es por ello que se debe acudir a métodos numéricos para resolver el problema como métodos rungekuta (John, M., & Kurtis, F. (2000)), (Kincaid, D., & Cheney, W. (1994)), (Chauhan, V., & Srivastava, P. K. (2019)), (León Camejo, P. D. (2015)), (Carrasco Chávez, L. A., & Heredia Tiparra, J. L. (2020).), (Coronado Chapoñán, H. A., & Flores Soto, R. D. C. (2021).) para ecuaciones diferenciales ordinarias, método de Newton Rapson (John, M., & Kurtis, F. (2000)),

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