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 aislante electrónico y barrera reactiva, por ejemplo, al oxígeno y al gas hidrógeno . [1] Ésta es su función esencial cuando se incorporan a un conjunto de electrodos de membrana (MEA) de una pila 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 bloqueando una vía electrónica directa a través del 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 estructura perfluorada como el teflón , [4] existen muchos otros motivos estructurales que se utilizan para fabricar ionómeros para membranas de intercambio de protones. Muchos usan polímeros poliaromáticos, mientras que otros usan 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 membranas de intercambio de protones fue desarrollada a principios de la década de 1960 por Leonard Niedrach y Thomas Grubb, químicos que trabajaban para 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 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 1-4. [8] En todas las misiones Gemini posteriores se utilizó una generación mejorada de pila de combustible PEM de General Electric, pero se abandonó para las misiones Apolo posteriores. [9] El ionómero fluorado Nafion , que hoy en día 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 espesor atómico que permitían que solo los protones pasaran a través del material, lo que los convertía en un reemplazo potencial de los ionómeros fluorados como material PEM. [11] [12]
Las PEMFC tienen algunas ventajas sobre otros tipos de pilas de combustible, como las pilas de combustible de óxido sólido (SOFC). Los PEMFC funcionan a una temperatura más baja, son más livianos y compactos, lo que los hace ideales para aplicaciones como 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 de las PEMFC debe estar saturado de agua. Sin embargo, algunos automóviles de pila de combustible, incluido el Toyota Mirai , funcionan sin humidificadores, dependiendo de 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 el ionómero en las capas del catalizador. .
Los 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, particularmente al CO en el reformado. Estas mejoras podrían conducir potencialmente a una mayor eficiencia general del sistema. Sin embargo, estos beneficios aún no se han materializado, ya que las membranas de ácido sulfónico perfluorado (PFSA) pierden su función rápidamente a 100 °C y más si la hidratación cae por debajo de ~100%, y comienzan a deslizarse en este rango de temperatura, lo que resulta en adelgazamiento localizado y menor vida útil general 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 del PEMFC es hidrógeno y el portador de carga es el ion hidrógeno (protón). En el ánodo, la molécula de hidrógeno se divide en iones de hidrógeno (protones) y electrones. Los iones de hidrógeno atraviesan el electrolito hasta el cátodo, mientras que los electrones fluyen a través de un circuito externo y producen energía eléctrica. Se suministra oxígeno, normalmente en forma de aire, al cátodo y se combina con los electrones y los iones de hidrógeno para producir agua. Las reacciones en los electrodos son las siguientes:
El potencial exotérmico teórico es de +1,23 V en total.
La principal aplicación de las membranas de intercambio de protones es en las pilas de combustible PEM. Estas pilas de combustible tienen una amplia variedad de aplicaciones comerciales y militares, incluidas las industrias aeroespacial, automotriz y energética. [16] [17]
Las primeras aplicaciones de pilas de combustible PEM se centraron en la industria aeroespacial. La entonces 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. [dieciséis]
Desde 2008 [actualizar], la industria automovilística y la generación de energía privada y pública son los mayores mercados para las pilas de combustible de membrana de intercambio de protones. [18] Las pilas 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. [19] En marzo de 2019 había 6.558 vehículos de pila de combustible en las carreteras de Estados Unidos, siendo el Toyota Mirai el modelo más popular. [20] Las pilas de combustible PEM también se han implementado con éxito en otras formas de maquinaria pesada, y Ballard Power Systems suministra montacargas basados en esta tecnología. [21] El principal desafío que enfrenta la tecnología PEM automotriz es el almacenamiento seguro y eficiente de hidrógeno, actualmente un área de alta actividad de investigación. [19]
La electrólisis de membranas de electrolitos poliméricos es una técnica mediante la cual se utilizan membranas de intercambio de protones para descomponer el agua en hidrógeno y oxígeno gaseoso. [22] La membrana de intercambio de protones permite la separación del 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 embarcaciones como los submarinos de la Marina Real y de EE. UU . [16] Un ejemplo reciente es la construcción de una planta de electrolizador PEM de Air Liquide de 20 MW en Quebec. [23] Se encuentran disponibles dispositivos similares basados en PEM para la producción industrial de ozono. [24]