Una membrana de intercambio de protones o membrana electrolítica polimérica (POM, PEM) es una membrana semipermeable , generalmente hecha de ionómeros y diseñada para conducir protones , actuando como aislante electrónico y barrera para reactivos como el oxígeno y el hidrógeno [1] . Su función principal cuando se incluye en un conjunto de electrodos de membrana (MEA) de una celda de combustible con una membrana de intercambio de protones o un electrolizador de membrana de intercambio de protones es la separación de reactivos y la transferencia de protones mientras bloquea el paso directo de electrones a través de la membrana.
Los PEM se pueden fabricar a partir de membranas de polímero puro o de membranas compuestas en las que se incrustan otros materiales en la matriz de polímero. Uno de los materiales PEM más comunes y comercialmente disponibles es el polímero de ácido perfluorosulfónico (PFSA) Nafion. Los polímeros poliaromáticos y los polímeros parcialmente fluorados también se utilizan como materiales para membranas de intercambio de protones.
Las principales características de las membranas de intercambio de protones son la conductividad de protones (σ), la permeabilidad al metanol (P) y la estabilidad térmica. Las celdas de combustible PEM utilizan una membrana de polímero sólido (película plástica delgada) como electrolito. Este polímero, cuando está saturado con agua, es permeable a los protones pero no conduce electrones.
La tecnología de membrana de intercambio de protones fue desarrollada por primera vez a principios de la década de 1960 por Leonard Nidrach y Thomas Grubb, químicos que trabajaban para General Electric Company . [2] Se han dedicado importantes recursos gubernamentales al estudio y desarrollo de estas membranas para su uso en el programa de vuelos espaciales Gemini de la NASA . [3] Sin embargo, una serie de problemas técnicos llevaron a la NASA a abandonar inicialmente el uso de celdas de combustible de membrana de intercambio de protones en este programa. [4] La avanzada celda de combustible FEM de General Electric se usó en todos los vuelos posteriores de Gemini, pero se abandonó para vuelos posteriores. Vuelos Apolo . El ionómero fluorado Nafion, que es el material de membrana de intercambio de protones más utilizado en la actualidad, fue desarrollado por el químico de plásticos de DuPont, Walter Groth. Grotto también demostró su utilidad como membrana separadora electroquímica. [5]
En 2014, Andre Geim, de la Universidad de Manchester, publicó los primeros resultados de una monocapa de grafeno y nitruro de boro del espesor de un átomo que solo permitía el paso de protones a través del material, lo que convertía a estos materiales en un reemplazo potencial de los ionómeros fluorados como material TEM. [6] [7]
Las FEMFC tienen algunas ventajas sobre otros tipos de celdas de combustible, como las celdas de combustible de óxido sólido (SOFC). Las PEMFC funcionan a temperaturas más bajas, son más livianas y compactas, lo que las hace ideales para aplicaciones automotrices. Sin embargo, también hay algunas desventajas: la temperatura de operación de ~80°C es demasiado baja para la generación, como en SOFC, además, el electrolito para PEMFC debe estar saturado de agua. Sin embargo, algunos vehículos con celdas de combustible funcionan sin humidificadores y se basan en la producción rápida de agua y las altas tasas de retrodifusión a través de membranas delgadas para mantener la hidratación de la membrana y el ionómero en los lechos del catalizador.
Los FEMFC de alta temperatura funcionan entre 100 °C y 200 °C, lo que ofrece ventajas potenciales en la cinética de los electrodos y la gestión del calor, así como una mejor resistencia a las impurezas del combustible, especialmente el CO. Estas mejoras tienen el potencial de mejorar la eficiencia general del sistema. Sin embargo, estos beneficios aún no se han materializado, ya que las membranas de PFAS fallan rápidamente a temperaturas superiores a 100 °C y la hidratación por debajo del 100 %, lo que reduce la vida útil. Como resultado, se están explorando nuevos conductores de protones anhidros como los cristales plásticos de iones orgánicos próticos (POIPC) y los líquidos iónicos próticos para su uso en celdas de combustible. [ocho]
El combustible para PEMFC es hidrógeno, y el portador de carga es un ion de hidrógeno (protón). En el ánodo, la molécula de hidrógeno se divide en iones de hidrógeno (protones) y electrones. Los iones de hidrógeno pasan a través del electrolito hacia el cátodo, mientras que los electrones pasan por el circuito externo y generan electricidad. El oxígeno, generalmente en forma de aire, se alimenta al cátodo y se combina con electrones e iones de hidrógeno para formar agua. Las reacciones en los electrodos son las siguientes:
Reacción en el ánodo:
2H 2 → 4H + + 4e −Reacción en el cátodo:
O 2 + 4H + + 4e − → 2H 2 O
Reacción general de la célula:
2H 2 + O 2 → 2H 2 O + calor + energía eléctrica
El potencial exotérmico teórico es de +1,23 V en total.
La principal aplicación de las membranas de intercambio de protones es en las celdas de combustible PEM. Estas celdas de combustible se utilizan ampliamente en aplicaciones comerciales y militares, incluidas las industrias aeroespacial, automotriz y energética.
Los mercados más grandes para las celdas de combustible de membrana de intercambio de protones en la actualidad son la industria automotriz, así como la generación de energía para uso personal y público. Las celdas de combustible PEM son populares en la industria automotriz debido a su temperatura de funcionamiento relativamente baja y su capacidad para arrancar rápidamente incluso a temperaturas bajo cero. Las celdas de combustible PEM también se están utilizando con éxito en otros tipos de equipos pesados, con Ballard Power Systems suministrando montacargas basados en esta tecnología. El principal desafío que enfrenta la tecnología TEM automotriz es el almacenamiento seguro y eficiente de hidrógeno, que actualmente es un área de intensa actividad de investigación.
La electrólisis de membrana de electrolito de polímero es una tecnología mediante la cual se utilizan membranas de intercambio de protones para descomponer el agua en gas hidrógeno y oxígeno. La membrana de intercambio de protones permite separar el hidrógeno producido del oxígeno, lo que permite utilizar ambos productos según sea necesario. Este proceso se ha utilizado para producir combustible de hidrógeno y oxígeno para sistemas de soporte vital en barcos como los submarinos de la Marina de los EE. UU. y la Marina Real. Un ejemplo reciente es la construcción de una planta electrolizadora Air Liquide PEM de 20 MW en Quebec. Hay dispositivos similares basados en TEM disponibles para la producción de ozono industrial.