Diseño conceptual de un sistema experimental de pila de combustible alimentada con formiato procedentes de la valorización de corrientes de dióxido de carbono

Abstract

El cambio climático y la crisis energética, desafíos clave del siglo XXI, comparten una causa común: un modelo energético global dominado por combustibles fósiles. Esta dependencia es la principal fuente de emisiones de gases de efecto invernadero (GEI), en particular de dióxido de carbono (CO2). Según las últimas observaciones satelitales, la concentración atmosférica de CO2 ha aumentado un 150% respecto a los niveles preindustriales, acelerando el calentamiento global. Este contexto de crisis climática y energética ha impulsado el desarrollo de tecnologías sostenibles para mitigar sus efectos. Este Trabajo de Fin de Máster enmarcado en el “Plan Complementario en el Área de Energía e Hidrógeno Renovable” de la Universidad de Cantabria (UC) coordinado por el catedrático Alfredo Ortiz Sainz de Aja, integrante del grupo de investigación “Procesos avanzados de separación (PAS)” liderado por la Prof. Inmaculada Ortiz, se centra en el diseño conceptual de un sistema experimental innovador que combina dos tecnologías emergentes: la electroreducción de CO2 (ERCO2) a formiato (HCOO- ) y su conversión en energía eléctrica mediante pilas de combustible de formiato directo (DFFC). Esta integración es una contribución novedosa en el ámbito de las tecnologías de valorización de CO2, debido la limitada investigación sobre las DFFC en comparación con otras pilas de combustible y la escasa literatura que aborda su integración con la ERCO2. En el ámbito energético, el hidrógeno es uno de los principales protagonistas, aunque su manejo conlleva riesgos significativos, lo que ha llevado a explorar combustibles líquidos como alternativas más seguras. Entre estos, los alcoholes (metanol y etanol) han acaparado la atención, pero este trabajo propone el HCOO como una alternativa más segura y sostenible. Este combustible, aún poco estudiado, es no tóxico, no inflamable y se transporta y almacena con mayor facilidad, además de poder obtenerse de manera relativamente sencilla a partir del CO2. El sistema experimental propuesto evalúa la interacción entre ambas tecnologías. La etapa de ERCO2 utiliza un reactor filtro-prensa y catalizadores avanzados, logrando eficiencias faradaicas superiores al 80% en la conversión de CO2 a HCOO- . Esta tecnología ha sido ampliamente estudiada por el grupo de investigación “Desarrollo de Procesos Químicos y Control de Contaminantes (DePRO)” de la UC. Por su parte, la DFFC emplea el HCOO generado para producir electricidad de forma directa y sostenible. Para ello, tras una exhaustiva revisión bibliográfica, se propone el uso de ánodos de Paladio (Pd) depositados sobre una espuma de Níquel (Ni) a una carga de 2 mg·cm-2 , una membrana de intercambio aniónico (AEM) como separador y negro de Platino (Pt) soportado sobre una capa de difusión de gases hidrófoba (GDL) como cátodo. En cuanto a la alimentación, se plantea utilizar el HCOO obtenido por ERCO2 en el ánodo y aire (400 sccm) en el cátodo. El diseño conceptual del sistema desarrollado en un entorno CAD (Autodesk Inventor), detalla la configuración de los equipos para garantizar una integración eficiente de ambas tecnologías y maximizar el rendimiento global. Además, un análisis económico preliminar estima los costos de capital y operación asociados. Los resultados de este trabajo contribuyen a validar una tecnología innovadora y sientan las bases para futuras investigaciones en esta área dentro del Departamento de Ingenierías Química y Biomolecular de la UC. Este avance resulta crucial para demostrar la viabilidad del ciclo "CO₂ a energía" a escala de laboratorio, promoviendo la mitigación del cambio climático y la transición hacia una economía circular y sostenible.

Climate change and the energy crisis, two of the most pressing challenges of the 21st century, are deeply interconnected due to a common cause: a global energy model dominated by fossil fuels. This dependence is the primary source of greenhouse gas (GHG) emissions, particularly carbon dioxide (CO2). According to the latest satellite observations, atmospheric CO2 concentration have increased by 150% compared to pre-industrial levels, significantly accelerating global warming. This context of climate and energy crises has driven the development of sustainable technologies to mitigate their effects. This Master's Thesis, framed within the “Plan Complementario en el Área de Energía e Hidrógeno Renovable” at the University of Cantabria (UC), coordinated by Professor Alfredo Ortiz Sainz de Aja, a member of the "Advanced Separation Processes (PAS)" research group led by Professor Inmaculada Ortiz, focuses on the conceptual design of an innovative experimental system that combines two emerging technologies: the electroreduction of CO2 (ERCO2) to formate (HCOO- ) and its conversion into electrical energy using direct formate fuel cells (DFFC). This integration represents a novel contribution to the field of CO2 valorization technologies, particularly due to the limited research on DFFCs compared to other fuel cells and the scarce literature addressing their integration with ERCO2. In the energy sector, hydrogen is one of the main protagonists. However, its handling involves significant risks, prompting the exploration of liquid fuels as safer alternatives. Among these, alcohols (methanol and ethanol) have garnered attention, but this study proposes HCOO as a safer and more sustainable option. This fuel, still underexplored, is non-toxic, non-flammable, easier to transport and store, and can be relatively easily obtained from CO2. The proposed experimental system aims to evaluate the interaction between both technologies. The ERCO2 stage uses a filter-press reactor equipped with advanced catalysts, achieving faradaic efficiencies exceeding 80% in the conversion of CO2 into HCOO- . This technology has been extensively studied by the “Development of Chemical Processes and Pollution Control (DePRO)” research group at UC. Meanwhile, the DFFC stage uses the generated HCOO to produce electricity directly and sustainably. To achieve this, following an exhaustive literature review, the use of Palladium (Pd) on a Nickel (Ni) foam (2 mg·cm⁻²) as the anode, an anion exchange membrane (AEM) as the separator, and Platinum (Pt) black supported on a hydrophobic gas diffusion layer (GDL) as the cathode is proposed. Regarding the feed, the system is designed to use the HCOO obtained through ERCO2 at the anode and air (400 sccm) at the cathode. The conceptual design of the system was developed in a CAD environment (Autodesk Inventor), resulting in a detailed representation that includes the main equipment and its configurations. This approach ensures the efficient integration of both technologies, optimizing their joint operation and maximizing the overall performance of the system. Additionally, a preliminary economic analysis was conducted to estimate the associated capital and operational costs. The results of this work contribute to validating an innovative technology and lay the groundwork for future research in this field within the Department of Chemical and Biomolecular Engineering at UC. This advancement is essential to demonstrate the feasibility of the “CO2 to energy” cycle at a laboratory scale, representing a crucial step towards mitigating climate change and transitioning to a circular and sustainable economy.