Anar al contingut

Membrana d'intercanvi de protones

De L'Enciclopèdia, la wikipedia en valencià

Una membrana d'intercanvi de protones, o membrana polimèrica electrolítica (PEM, per les seues sigles en anglés), és una membrana semipermeable fabricada generalment a partir d'ionómeros i dissenyada per a conduir protones a l'hora que actua com a aïllant electrònic i barrera per als reactants, per eixemple, per al oxigen i el gas hidrogen.[1] Esta és la seua funció essencial quan s'incorpora a un conjunt d'electrodos de membrana (MEA) d'una pila de combustible de membrana d'intercanvi de protones o d'un electrolisador de membrana d'intercanvi de protones: separació de reactants i transport de protones a l'hora que es bloqueja una via electrònica directa a través de la membrana.

Les PEM poden fabricar-se a partir de membranes polimèriques pures o de membranes compostes, en les que atres materials estan embebidos en una matriu polimèrica. Un dels materials PEM més comuns i comercialisats és el fluoropolímero (PFSA)[2] Nafion, un producte de DuPont.[3] Encara que el Nafion és un ionómero en una espina dorsal perfluorada com el teflón,[4] hi ha molts atres motius estructurals utilisats per a fabricar ionómeros per a membranes d'intercanvi de protones. Molts utilisen polímero poliaromáticos, mentres que uns atres utilisen polímero parcialment fluorados.

Les membranes d'intercanvi de protones es caracterisen principalment per la conductivitat de protones (σ), la permeabilidad al metanol ( P ) i l'estabilitat tèrmica.[5]

Les piles de combustible PEM utilisen una membrana d'polímero sòlit (una fina película de plàstic) que és permeable als protones quan està saturada d'aigua, pero no conduïx electrons.

Història

[editar | editar còdic]
Archiu:Grubb Niedrach photo.jpg
Leonard Niedrach (esquerra) i Thomas Grubb (dreta), inventors de la tecnologia de membranes d'intercanvi de protones.

La primera tecnologia de membranes d'intercanvi de protones va ser desenrollada a principis dels anys 60 per Leonard Niedrach i Thomas Grubb, químics que treballaven per a la General Electric Company.[6] El govern va dedicar importants recursos a l'estudi i desenroll d'estes membranes per al seu us en el programa de vols espacials del Proyecte Géminis de la NASA.[7] Una série de problemes tècnics varen dur a la NASA a renunciar a l'us de piles de combustible de membrana d'intercanvi de protones en favor de les bateries com a alternativa de menor capacitat pero més fiable per a les missions Gemini 1-4.[8] Una generació millorada de la pila de combustible PEM de General Electric es va utilisar en totes les missions Gemini posteriors, pero es va abandonar per a les missions Apolo posteriors.[9] El ionómero fluorado Nafion, que és hui el material de membrana d'intercanvi de protones més utilisat, va ser desenrollat pel químic de plàstics de DuPont Walther Grot. Grot també va demostrar la seua utilitat com a membrana separadora electroquímica.[10]

En 2014, Andre Geim, de l'Universitat de Mánchester, va publicar els resultats inicials sobre monocapas de grafeno i nitrur de bor de gruixa atòmica que permetien que solament els protones passaren a través del material, lo que les convertia en una tongada potencial dels ionómeros fluorados com a material PEM.[11][12]

Pila de combustible

[editar | editar còdic]

Les PEMFC tenen algunes ventages sobre atres tipos de piles de combustible, com les piles de combustible d'òxit sòlit (SOFC). Les PEMFC funcionen a menor temperatura, són més llaugeres i compactes, lo que les fa ideals per a aplicacions com els automòvils. No obstant, presenten algunes desventages: la temperatura de funcionament de 80 °C és massa baixa per a la cogeneración com en les SOFC, i que el electrolito de les PEMFC deu estar saturat d'aigua. No obstant, alguns coches de pila de combustible, inclós el Toyota Mirai, funcionen sense humidificadores, confiant en la ràpida generació d'aigua i en l'alta taxa de retrodifusión a través de membranes fines per a mantindre l'hidratació de la membrana, aixina com el ionómero de les capes catalizadoras.

Les piles PEMFC d'alta temperatura funcionen entre 100 °C i 200 °C, lo que pot oferir ventages en la cinètica de l'electrodo i la gestió de la calor, aixina com una major tolerància a les impurees del combustible, en particular al CO del reformat. Estes millores podrien donar lloc a una major eficiència global del sistema. No obstant, estos beneficis encara no s'han materialisat, ya que les membranes d'àcit sulfónico perfluorado (PFSA), que són l'estàndart d'or, perden la seua funció ràpidament a 100 °C i més si l'hidratació cau per baix del 100%, i escomencen a esgolar-se en este interval de temperatura, lo que provoca un adelgazamiento localisat i una reducció general de la vida útil del sistema. En conseqüència, s'estan estudiant activament nous conductors de protones anhidros, com els cristals plàstics iònics orgànics próticos (POIPC) i els líquits iònics próticos, per al desenroll de PEM adequades.[13][14][15]


El combustible de la PEMFC és l'hidrogen, i el portador de càrrega és el ion hidrogen (protón). En l'ànodo, la molècula d'hidrogen es dividix en ions d'hidrogen (protones) i electrons. Els ions d'hidrogen travessen el electrolito fins al càtodo, mentres que els electrons fluïxen a través d'un circuit extern i produïxen energia elèctrica. L'oxigen, normalment en forma d'aire, se suministra al càtodo i es combina en els electrons i els ions d'hidrogen per a produir aigua. Les reaccions en els electrodos són les següents:

Reacció de l'ànodo:
2H 2 → 4H + + 4i −
Reacció del càtodo:
O 2 + 4H + + 4i − → 2H 2 O
Reacció celular global:
2H 2 + O 2 → 2H 2 O + calor + energia elèctrica

El potencial exotèrmic teòric és de +1,23 V en general.


Referències

[editar | editar còdic]
  1. ↑ «Alternative Electrochemical Systems for Ozonation of Water» (en en). www.techbriefs.com. Consultat el 2023-05-11.
  2. ↑ Zhiwei Yang (2004). “Novell inorganic/organic hybrid electrolyte membranes”. Prepr. Pap.-Am. Chem. Soc., Div. Fuel Chem. 49 (2): 599.
  3. ↑ «Espacenet – search results». worldwide.espacenet.com. Consultat el 2023-05-11.
  4. ↑ Gabriel Gache. «New Proton Exchange Membrane Developed – Nafion promises inexpensive fuel-cells». Softpedia.
  5. ↑ Nakhiah Goulbourne. «Research Topics for Materials and Processes for PEM Fuel Cells REU for 2008». Virginia Polytechnic Institute and State University|Virginia Tech. Archivat des d'el original, el 2009-02-27. Consultat el 2008-07-18.
  6. ↑ “Batteries with Solid Ion‐Exchange Membrane Electrolytes: II . Low‐Temperature Hydrogen‐Oxygen Fuel Cells” (en) . Journal of the Electrochemical Society 107 (2): 131. doi:10.1149/1.2427622. ISSN 1945-7111.
  7. ↑ Fuel Cell Systems (vol. 47) (en en), WASHINGTON, D.C.: AMERICAN CHEMICAL SOCIETY. doi:10.1021/ba-1965-0047. ISBN 978-0-8412-0048-7.
  8. ↑ “Barton C. Hacker and James M. Grimwood. On the Shoulders of Titans: A History of Project Gemini. Washington, D. C.: National Aeronautics and Space Administration. 1977. Pp. xx, 625. $19.00” . The American Historical Review. doi:10.1086/ahr/84.2.593. ISSN 1937-5239.
  9. ↑ «Collecting the History of Proton Exchange Membrane Fuel Cells». Smithsonian Institution.
  10. ↑ Grot, Walther. «Fluorinated Ionomers - 2nd Edition».
  11. ↑ Nature.516(7530)
    227–30.doi:10.1038/nature14015.
  12. ↑ Nature.516(7530)
    173–174.doi:10.1038/nature14074.
  13. ↑ “1,2,4-Triazolium perfluorobutanesulfonate as an archetypal pure protic organic ionic plastic crystal electrolyte for all-solid-state fuel cells” (2015). Energy & Environmental Science 8 (4): 1276. doi:10.1039/C4EE02280G.
  14. ↑ “Imidazolium methanesulfonate as a high temperature proton conductor” (2013). Journal of Materials Chemistry A 1 (6): 2238. doi:10.1039/C2TA00713D.
  15. ↑ “Protic ionic liquid and ionic melts prepared from methanesulfonic acid and 1H-1,2,4-triazole as high temperature PEMFC electrolytes” (2011). Journal of Materials Chemistry 21 (28): 10426–10436. doi:10.1039/C0JM04306K.
Obtingut de «https://www.lenciclopedia.org/w/index.php?title=Membrana_d%27intercanvi_de_protones&oldid=821780»