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 de reactivo, por ejemplo, al oxígeno y al hidrógeno gaseoso. [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 se pueden fabricar 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] Mientras que Nafion es un ionómero con una columna vertebral perfluorada como el teflón , [4] hay muchos otros motivos estructurales usados para producir 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 los protones (σ), la permeabilidad del 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.
Historia
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 del Proyecto Gemini de la NASA. [7] Varios 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 1 a 4 de Géminis. [8] Se utilizó una generación mejorada de la pila de combustible PEM de General Electric en todas las misiones posteriores de Gemini, pero se abandonó para las misiones Apolo posteriores . [9] El ionómero fluorado Nafion , que es en la actualidad 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 los resultados iniciales sobre monocapas de grafeno y nitruro de boro con un grosor de átomo que permitían que solo los protones pasaran a través del material, lo que los convierte en un posible reemplazo de los ionómeros fluorados como material PEM. [11] [12]
Pila de combustible
Los PEMFC tienen algunas ventajas sobre otros tipos de pilas de combustible, como las pilas de combustible de óxido sólido (SOFC). Los PEMFC operan 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 para las PEMFC debe estar saturado de agua. Sin embargo, algunos autos con celda de combustible, incluido el Toyota Mirai , operan 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 el ionómero en las capas de catalizador. .
Los PEMFC de alta temperatura operan 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 el CO en el reformado. Estas mejoras potencialmente podrían conducir a una mayor eficiencia general del sistema. Sin embargo, estas ganancias aún no se han realizado, 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 deslizarse en este rango de temperatura, lo que resulta en adelgazamiento localizado y menor vida útil general del sistema. Como resultado, los nuevos conductores de protones anhidros, como los cristales plásticos iónicos orgánicos próticos (POIPC) y los líquidos iónicos próticos , se estudian activamente para el desarrollo de PEM adecuados. [13] [14] [15]
El combustible para el 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 penetran a través del electrolito hasta el cátodo, mientras que los electrones fluyen a través de un circuito externo y producen energía eléctrica. El oxígeno, generalmente en forma de aire, se suministra al cátodo y se combina con los electrones y los iones de hidrógeno para producir agua. Las reacciones en los electrodos son las siguientes:
- Reacción del ánodo:
- 2H 2 → 4H + + 4e -
- Reacción del cátodo:
- O 2 + 4H + + 4e - → 2H 2 O
- Reacción celular general:
- 2H 2 + O 2 → 2H 2 O + calor + energía eléctrica
El potencial exotérmico teórico es de +1,23 V en general.
Aplicaciones
La aplicación principal de las membranas de intercambio de protones se encuentra en las celdas 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 las pilas de combustible PEM se centraron en la industria aeroespacial. La capacidad entonces mayor de las pilas de combustible en comparación con las baterías las hizo ideales, ya que el Proyecto Gemini de la NASA comenzó a apuntar a misiones espaciales de mayor duración de lo que se había intentado anteriormente. [dieciséis]
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 en la actualidad. [18] 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. [19] En marzo de 2019, había 6.558 vehículos de celda de combustible en las carreteras de los Estados Unidos, siendo el Toyota Mirai el modelo más popular. [20] California lidera a los Estados Unidos en estaciones de repostaje de hidrógeno con 43, y la Comisión de Energía de California tiene acceso a $ 20 millones por año en fondos hasta 2023 para expandir la cobertura. [21] 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. [22] El principal desafío al que se enfrenta la tecnología PEM automotriz es el almacenamiento seguro y eficiente de hidrógeno, que actualmente es un área de gran actividad de investigación. [19]
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. [23] La membrana de intercambio de protones permite la separación del hidrógeno producido del oxígeno, lo que permite que cualquiera de los productos se explote 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 estadounidense y de los Estados Unidos . [16] Un ejemplo reciente es la construcción de una planta de electrolizadores Air Liquide PEM de 20 MW en Quebec. [24] Existen dispositivos similares basados en PEM para la producción industrial de ozono. [25]
Ver también
- Membrana de intercambio de aniones alcalinos
- Membrana artificial
- Electrolito seco
- Análisis mecánico dinámico
- Electrólisis de agua
- Bomba electroosmótica
- Electrodo de difusión de gas
- Electroquímica de isótopos
- Conjunto de electrodos de membrana
- Electrólisis de membrana de electrolito de polímero
- Rollo a rollo
Referencias
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enlaces externos
- Batería de electrolito de polímero sólido seco
- Programa STREP apoyado por la CE sobre electrólisis de agua PEM a alta presión