Célula de combustible híbrida que genera electricidad directamente de la biomasa

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Aunque las células de combustible de baja temperatura alimentadas por metanol o hidrógeno han sido bien estudiadas, las tecnologías de célula de combustible de baja temperatura existentes no pueden utilizar directamente la biomasa como combustible, debido a la falta de un sistema de catalizador eficaz para los materiales poliméricos.

Ahora, unos investigadores del Instituto Tecnológico de Georgia (Georgia Tech), ubicado en la ciudad estadounidense de Atlanta, han desarrollado un nuevo tipo de célula de combustible de baja temperatura que convierte directamente la biomasa en electricidad con la ayuda de un catalizador activado por energía solar o térmica. La pila de combustible híbrida puede utilizar una amplia gama de fuentes de biomasa, incluyendo almidón, celulosa, lignina, e incluso serrín o madera en polvo, algas, despojos de aves de corral y ciertas clases de hierba.

El dispositivo podría ser utilizado en unidades de pequeña escala para suministrar electricidad a individuos o familias en situaciones en las que el acceso a fuentes comunes de electricidad no sea posible, así como para instalaciones más grandes en sitios donde haya importantes cantidades de biomasa disponibles y se quiera aprovechar ésta para generar cantidades significativas de electricidad.

La principal ventaja del sistema creado por el equipo de Yulin Deng, profesor en la Escuela de Ingeniería Química y Biomolecular del Georgia Tech, radica en poder utilizar muchos tipos de biomasa y de residuos orgánicos para producir energía eléctrica sin necesidad de purificar las materias primas.

El reto para las células de combustible de biomasa es que los enlaces carbono-carbono de la biomasa (un polímero natural) no pueden ser descompuestos fácilmente mediante catalizadores convencionales, incluyendo caros metales preciosos. Para superar este problema, los científicos han desarrollado células de combustible microbianas en las que microbios o enzimas descomponen la biomasa. Pero ese proceso tiene muchos inconvenientes: la producción energética de tales células es limitada, los microbios o enzimas sólo pueden descomponer selectivamente ciertos tipos de biomasa, y el sistema microbiano puede verse desactivado por muchos factores.

Deng y su equipo de investigación resolvieron esos problemas mediante la estrategia de alterar la configuración química para permitir que una fuente externa de energía active la reacción de oxidación-reducción de la célula de combustible.

La nueva célula de combustible híbrida inducida por luz solar, que transforma directamente biomasa en electricidad, puede operar mediante varios tipos de combustible. La célula mostrada a la derecha opera usando como catalizador al polioxometalato (POM), mostrado en los frascos, que cambia de color cuando reacciona con luz. (Foto: Georgia Tech / John Toon)

En el nuevo sistema, la biomasa es mezclada con un catalizador de polioxometalato (POM) en una solución, y expuesta entonces a la luz del sol, o a calor. El POM, un catalizador fotoquímico y termoquímico, funciona como agente de oxidación y como transportador de carga. El POM oxida la biomasa bajo irradiación fotónica o térmica, y entrega las cargas desde la biomasa hasta el ánodo de la célula de combustible. Los electrones son entonces transportados hasta el cátodo, donde la acción del oxígeno y un circuito externo en el paso final del proceso hacen que se genere electricidad.

Si mezclamos la biomasa y el catalizador a temperatura ambiente, no reaccionarán. Pero cuando los exponemos a la luz o el calor, la reacción empieza.
 

 

El sistema proporciona ventajas importantes, incluyendo la combinación de la degradación solar-térmica de la biomasa y la actividad fotoquímica en un único proceso químico, lo que lleva a una alta tasa de conversión solar y a una degradación efectiva de la biomasa. Tampoco usa metales nobles caros como catalizadores de ánodo porque las reacciones de oxidación del combustible son catalizadas por el POM de la solución. Además, el POM es químicamente estable.

El sistema puede usar biomasa soluble, o materiales orgánicos suspendidos en un líquido. En los experimentos, la célula de combustible operó durante hasta 20 horas, lo que indica que el catalizador de POM puede ser reutilizado sin tratamiento adicional.

En los experimentos, los investigadores han obtenido una densidad de potencia máxima de 0,72 milivatios por centímetro cuadrado, que es casi 100 veces superior a la de las células de combustible microbianas basadas en celulosa. Deng opina que la producción podrá incrementarse entre 5 y 10 veces cuando se optimice el proceso, y que este tipo de célula de combustible podría tener en el futuro un rendimiento energético similar al de las células de combustible de metanol.

Más allá de la capacidad de usar directamente biomasa como combustible, la nueva pila ofrece también ventajas en cuanto a sostenibilidad, y posiblemente un coste más bajo en comparación con otros tipos de célula de combustible. La nueva célula de combustible puede utilizar materiales sostenibles sin ninguna contaminación química.

En el trabajo de investigación y desarrollo también han intervenido Wei Liu, Wei Mu, Mengjie Liu, Xiaodan Zhang y Hongli Cai, todos del Georgia Tech.

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