Una membrana de intercambio de protones , o membrana de polímero-electrolito ( PEM ), es una membrana semipermeable generalmente hecha de ionómeros y diseñada para conducir protones mientras actúa como un aislante electrónico y una barrera reactiva, por ejemplo, para el oxígeno y el gas hidrógeno . [1] Esta es su función esencial cuando se incorpora a un conjunto de electrodos de membrana (MEA) de una celda de combustible de membrana de intercambio de protones o de un electrolizador de membrana de intercambio de protones : separación de reactivos y transporte de protones mientras se bloquea una vía electrónica directa a través de la membrana.
Los PEM pueden fabricarse a partir de membranas de polímero puro o de membranas compuestas , donde otros materiales están incrustados en una matriz de polímero. Uno de los materiales PEM más comunes y disponibles comercialmente es el fluoropolímero (PFSA) [2] Nafion , un producto de DuPont . [3] Si bien Nafion es un ionómero con una cadena principal perfluorada como el teflón , [4] existen muchos otros motivos estructurales que se utilizan para fabricar ionómeros para membranas de intercambio de protones. Muchos utilizan polímeros poliaromáticos, mientras que otros utilizan polímeros parcialmente fluorados.
Las membranas de intercambio de protones se caracterizan principalmente por la conductividad de protones (σ), la permeabilidad al metanol ( P ) y la estabilidad térmica. [5]
Las pilas de combustible PEM utilizan una membrana de polímero sólido (una fina película de plástico) que es permeable a los protones cuando está saturada de agua, pero no conduce electrones.
La primera tecnología de membrana de intercambio de protones fue desarrollada a principios de los años 1960 por Leonard Niedrach y Thomas Grubb, químicos que trabajaban para la General Electric Company . [6] Se dedicaron importantes recursos gubernamentales al estudio y desarrollo de estas membranas para su uso en el programa de vuelos espaciales del Proyecto Gemini de la NASA . [7] Una serie de problemas técnicos llevaron a la NASA a renunciar al uso de celdas de combustible de membrana de intercambio de protones en favor de baterías como una alternativa de menor capacidad pero más confiable para las misiones Gemini 1 a 4. [8] Una generación mejorada de la celda de combustible PEM de General Electric se utilizó en todas las misiones Gemini posteriores, pero se abandonó para las misiones Apolo posteriores . [9] El ionómero fluorado Nafion , que hoy es el material de membrana de intercambio de protones más utilizado, fue desarrollado por el químico de plásticos de DuPont Walther Grot. Grot también demostró su utilidad como membrana separadora electroquímica. [10]
En 2014, Andre Geim de la Universidad de Manchester publicó resultados iniciales sobre monocapas de grafeno y nitruro de boro de un espesor atómico que permitían que solo los protones pasaran a través del material, lo que los convertía en un posible reemplazo de los ionómeros fluorados como material PEM. [11] [12]
Las PEMFC tienen algunas ventajas sobre otros tipos de celdas de combustible, como las celdas de combustible de óxido sólido (SOFC). Las PEMFC operan a una temperatura más baja, son más livianas y compactas, lo que las hace ideales para aplicaciones como los automóviles. Sin embargo, algunas desventajas son: la temperatura de funcionamiento de ~80 °C es demasiado baja para la cogeneración como en las SOFC, y que el electrolito para las PEMFC debe estar saturado de agua. Sin embargo, algunos automóviles con celdas de combustible, incluido el Toyota Mirai , funcionan sin humidificadores, confiando en la rápida generación de agua y la alta tasa de retrodifusión a través de membranas delgadas para mantener la hidratación de la membrana, así como del ionómero en las capas del catalizador.
Las PEMFC de alta temperatura funcionan entre 100 °C y 200 °C, lo que potencialmente ofrece beneficios en la cinética de los electrodos y la gestión del calor, y una mejor tolerancia a las impurezas del combustible, en particular el CO en el reformado. Estas mejoras podrían conducir potencialmente a una mayor eficiencia general del sistema. Sin embargo, estas ganancias aún no se han materializado, ya que las membranas de ácido sulfónico perfluorado (PFSA) estándar de oro pierden su función rápidamente a 100 °C y más si la hidratación cae por debajo de ~100%, y comienzan a arrastrarse en este rango de temperatura, lo que resulta en un adelgazamiento localizado y una vida útil general más baja del sistema. Como resultado, se estudian activamente nuevos conductores de protones anhidros, como los cristales plásticos iónicos orgánicos próticos (POIPC) y los líquidos iónicos próticos , para el desarrollo de PEM adecuados. [13] [14] [15]
El combustible de la PEMFC es hidrógeno y el portador de carga es el ion hidrógeno (protón). En el ánodo, la molécula de hidrógeno se divide en iones hidrógeno (protones) y electrones. Los iones hidrógeno atraviesan el electrolito hasta el cátodo, mientras que los electrones fluyen a través de un circuito externo y producen energía eléctrica. El oxígeno, normalmente en forma de aire, se suministra al cátodo y se combina con los electrones y los iones hidrógeno para producir agua. Las reacciones en los electrodos son las siguientes:
El potencial exotérmico teórico es +1,23 V en general.
La principal aplicación de las membranas de intercambio de protones es en las celdas de combustible PEM. Estas celdas de combustible tienen una amplia variedad de aplicaciones comerciales y militares, incluidas las industrias aeroespacial, automotriz y energética. [9] [16]
Las primeras aplicaciones de las pilas de combustible PEM se centraron en la industria aeroespacial. La mayor capacidad de las pilas de combustible en comparación con las baterías las hizo ideales cuando el Proyecto Gemini de la NASA comenzó a apuntar a misiones espaciales de mayor duración que las que se habían intentado anteriormente. [9]
A partir de 2008 [actualizar], la industria automotriz, así como la generación de energía personal y pública, son los mercados más grandes para las celdas de combustible de membrana de intercambio de protones. [17] Las celdas de combustible PEM son populares en aplicaciones automotrices debido a su temperatura de funcionamiento relativamente baja y su capacidad para arrancar rápidamente incluso en condiciones bajo cero. [18] A marzo de 2019, había 6.558 vehículos de celdas de combustible en la carretera en los Estados Unidos, siendo el Toyota Mirai el modelo más popular. [19] Las celdas de combustible PEM también se han implementado con éxito en otras formas de maquinaria pesada, con Ballard Power Systems suministrando carretillas elevadoras basadas en la tecnología. [20] El principal desafío que enfrenta la tecnología PEM automotriz es el almacenamiento seguro y eficiente del hidrógeno, actualmente un área de alta actividad de investigación. [18]
La electrólisis por membrana de electrolito polimérico es una técnica mediante la cual se utilizan membranas de intercambio de protones para descomponer el agua en hidrógeno y oxígeno gaseoso. [21] La membrana de intercambio de protones permite separar el hidrógeno producido del oxígeno, lo que permite explotar cualquiera de los productos según sea necesario. Este proceso se ha utilizado de diversas formas para generar combustible de hidrógeno y oxígeno para sistemas de soporte vital en buques como los submarinos de la Marina Real y de los Estados Unidos . [9] Un ejemplo reciente es la construcción de una planta de electrolizadores PEM de 20 MW de Air Liquide en Quebec. [22] Hay dispositivos similares basados en PEM disponibles para la producción industrial de ozono. [23]
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