Membrana de intercambio de protones

Una membrana de intercambio de protones , o membrana de electrolito polimérico ( PEM ), es una membrana semipermeable generalmente hecha de ionómeros y diseñada para conducir protones mientras actúa como aislante electrónico y barrera de reactivos, por ejemplo, para el oxígeno y el hidrógeno gaseosos. ^{[ 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 bloquea una vía electrónica directa a través de la membrana.

Las membranas de intercambio protónico ( PEM) pueden fabricarse a partir de membranas de polímero puro o de membranas compuestas , donde otros materiales se incorporan en una matriz polimérica. 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 similar al teflón , ^{[ 4 ]} existen muchos otros motivos estructurales utilizados para fabricar ionómeros para membranas de intercambio protónico. Muchos utilizan polímeros poliaromáticos, mientras que otros utilizan polímeros parcialmente fluorados.

Las membranas de intercambio de protones se caracterizan principalmente por la conductividad protónica (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 tecnología inicial 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 destinaron importantes recursos gubernamentales al estudio y desarrollo de estas membranas para su uso en el programa de vuelos espaciales 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 espesor atómico que permitían el paso únicamente de protones a través del material, lo que las convierte en un posible sustituto de los ionómeros fluorados como material PEM. ^{[ 11 ] [ 12 ]}

Las pilas de combustible PEMFC presentan algunas ventajas sobre otros tipos de pilas de combustible, como las de óxido sólido (SOFC). Las PEMFC funcionan a menor temperatura, son más ligeras y compactas, lo que las hace ideales para aplicaciones como los automóviles. Sin embargo, algunas desventajas son: la  temperatura de funcionamiento de aproximadamente 80 °C es demasiado baja para la cogeneración, como en las SOFC, y el electrolito para las PEMFC debe estar saturado de agua. No obstante, algunos automóviles con pilas de combustible, como el Toyota Mirai , funcionan sin humidificadores, basándose 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 catalíticas.

Las PEMFC de alta temperatura operan entre 100  °C y 200  °C, ofreciendo potencialmente beneficios en la cinética de los electrodos y la gestión del calor, así como una mayor tolerancia a las impurezas del combustible, en particular al CO en el reformado. Estas mejoras podrían conducir a una mayor eficiencia general del sistema. Sin embargo, estas ventajas aún no se han materializado, ya que las membranas de ácido sulfónico perfluorado (PFSA), consideradas el estándar de oro, pierden funcionalidad rápidamente a 100  °C o más si la hidratación cae por debajo del ~100 %, y comienzan a deformarse en este rango de temperatura, lo que provoca un adelgazamiento localizado y una menor vida útil general del sistema. Por consiguiente, se están estudiando activamente nuevos conductores de protones anhidros, como los cristales plásticos iónicos orgánicos protónicos (POIPC) y los líquidos iónicos protónicos , para el desarrollo de PEM adecuadas. ^{[ 13 ] [ 14 ] [ 15 ]}

El combustible para la celda de combustible PEM es el 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 generan energía eléctrica. El oxígeno, generalmente 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:

Reacción del ánodo:

2H ₂ → 4H ⁺ + 4e ⁻

Reacción del cátodo:

O ₂ + 4H ⁺ + 4e ⁻ → 2H ₂ O

Reacción celular general:

2H₂ + O₂ _→ 2H₂O ₊ calor + energía _eléctrica

El potencial exotérmico teórico es de +1,23 V en total.

La principal aplicación de las membranas de intercambio de protones se encuentra en las pilas de combustible PEM. Estas pilas de combustible tienen una amplia variedad de aplicaciones comerciales y militares, incluyendo 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 intentadas anteriormente. ^{[ 9 ]}

A partir de 2008La industria automotriz, así como la generación de energía personal y pública, son los mayores mercados 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 de arrancar rápidamente incluso en condiciones bajo cero. ^{[ 18 ]} En marzo de 2019 había 6558 vehículos de celda de combustible en circulación 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 montacargas basados ​​en esta tecnología. ^{[ 20 ]} 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. ^{[ 18 ]}

La electrólisis con membrana de electrolito polimérico es una técnica que utiliza membranas de intercambio de protones para descomponer el agua en hidrógeno y oxígeno gaseosos. ^{[ 21 ]} La membrana de intercambio de protones permite separar el hidrógeno producido del oxígeno, lo que posibilita el aprovechamiento de cada producto según sea necesario. Este proceso se ha utilizado en diversas aplicaciones para generar hidrógeno como combustible y oxígeno para sistemas de soporte vital en buques como los submarinos de la Marina de los EE. UU. y la Marina Real Británica . ^{[ 9 ]} Un ejemplo reciente es la construcción de una planta de electrólisis PEM de Air Liquide de 20 MW en Quebec. ^{[ 22 ]} Existen dispositivos similares basados ​​en PEM para la producción industrial de ozono. ^{[ 23 ]}

El convertidor de energía termoeléctrica Johnson o JTEC es un tipo de motor térmico de estado sólido que utiliza la oxidación y reducción electroquímica del hidrógeno en un ciclo térmico de dos celdas que se aproxima al ciclo Ericsson . ^{[ 24 ]} El motor consta de dos etapas: una etapa de compresión a baja temperatura y una etapa de potencia a alta temperatura. Cada etapa consta de una cámara de fluido de trabajo (en este caso, hidrógeno ) dividida por un conjunto de electrodos de membrana (MEA) revestido de cobre, hecho de PEM cerámico patentado, que se encuentra intercalado entre dos electrodos. ^{[ 25 ]}

• Batería de electrolito de polímero sólido seco
• Programa STREP financiado por la CE sobre electrólisis de agua PEM de alta presión.