Las celdas de combustible son dispositivos electroquímicos que proveen energía de manera segura, sostenible y renovable. En la búsqueda de dispositivos que permitan almacenar o proveer energía de manera continua, las celdas y baterías de todo tipo, son de amplio interés en investigación y desarrollo tecnológico. Esto ha llevado que su uso se extienda desde dispositivos domésticos y móviles hasta vehículos híbridos y los completamente eléctricos. A parte del costo económico de producción, la eficiencia energética, la temperatura de operación y la naturaleza del combustible, se constituyen en los principales aspectos a investigar y mejorar en el desarrollo de estos dispositivos electroquímicos. A diferencia de otras fuentes convencionales de energía, como son los motores, las celdas de combustible no están limitadas por ciclos termodinámicos de carga y descarga, esto hace que la eficiencia en la conversión de la energía química en eléctrica supere, teóricamente, el 50%. Las celdas de combustible de hidrógeno tienen alta eficiencia energética, se estima que hasta del 70%, y son totalmente amigables con el medio ambiente, disipando solo agua y calor. Sin embargo, el hidrógeno presenta inconvenientes asociados a la producción, almacenamiento, distribución y seguridad. Las celdas de combustible de metanol tienen ventajas asociadas a la producción (se puede obtener a partir de biomasa), al costo (es más económico comparado con el hidrógeno), y al almacenamiento, distribución y operación de la celda. El metanol es considerado el combustible promisorio del presente inmediato para el desarrollo de celdas PEMFCs (celdas de combustible de membrana de intercambio de protones). Se prevee que las celdas de metanol dominen el mercado en las décadas del 2020 y 2030, ya que su desarrollo tecnológico se ha extendido a ser usadas en dispostivos portátiles, vehículos híbridos y en la infraestructura aeroespacial. El ácido fórmico es un subproducto de la oxidación del metanol, y es también considerado un combustible promisorio en el desarrollo de PEMFCs. Al ser la estructura molecular del ácido fórmico menos compleja que la del metanol, ha llevado que el mecanismo de oxidación de este se considere como un modelo de reacción en el estudio de procesos electrocatalíticos. Mientras mayor comprensión tengamos sobre el mecanismos de reacción, más se facilita la racionalización de los principios que gobiernan la electrocatálisis, facilitando esto hacer propuestas que contribuyan a mejorar los procesos anódicos en las celdas de combustible, como puede ser la selección y distribución del catalizador. A pesar de que la electrooxidación del ácido fórmico ha sido ampliamente estudiada, tanto experimental como computacionalmente, aún persisten aspectos por resolver, como lo es la dinámica oscilatoria. Bajo regimen potenciostático o galvanostático se descubrió que la electrooxidación del ácido fórmico puede exhibir oscilaciones espacio-temporales. El desarrollo de modelos matemáticos que explicaran la dinámica oscilatoria contribuyó de manera significativa a mejorar la comprensión del mecanismo de reacción y del proceso electrocatalítico. Gerard Ertl, premio nobel de química 2007, fue el primero en avizorar que la dinámica oscilatoria durante la electrooxidación de un combustible "podría" llevar la eficiencia energética de las celdas de combustible a valores por encima del 80%.
Si bien hay un amplio estudio y desarrollo de la termodinámica de procesos electroquímicos, usualmente estos se hacen guiados por el principio rector de la primera.
La segunda ley de la termodinámica permite hacer una evaluación más objetiva de la eficiencia energética de un proceso al involucrar explicitamente la naturaleza irreversible de los procesos.
Una evaluación termodinámica de segunda ley de las celdas de combustibles contribuirá a comprender mejor el desempeño de estos dispositivos durante la conversión de energía química en energía eléctrica. |