Figura 1: La estructura química de Nafion.
Los electrolitos DuPont/Chemours tienen la marca genérica Nafion, y el tipo específico que se utiliza con mayor frecuencia es la membrana Nafion 117. Las membranas Nafion son estables frente al ataque químico de bases fuertes, ácidos oxidantes y reductores fuertes, H2O2, Cl2, H2 y O2. a temperaturas de hasta 125 ºC. Dupont y muchas otras empresas han desarrollado materiales similares para PEMFC y DMFC a lo largo de los años. La membrana conductora de protones suele estar formada por una estructura polimérica basada en PTFE, a la que están unidos grupos de ácido sulfónico.
La membrana conductora de protones funciona bien para aplicaciones de pilas de combustible porque el H+ salta de un sitio de SO3 a otro por todo el material. El H+ emerge al otro lado de la membrana. La membrana debe permanecer hidratada para ser conductora de protones. Esto limita la temperatura de funcionamiento de las pilas de combustible PEM por debajo del punto de ebullición del agua y hace que la gestión del agua sea una cuestión clave en el desarrollo de las pilas de combustible PEM. La Figura 2 ilustra los sitios de SO3 en la membrana de Nafion.
Figura 2: Una ilustración pictórica de Nafion.
Las membranas Nafion vienen en varios espesores y se pueden cortar a cualquier tamaño. Algunas de las membranas Nafion más comunes incluyen: 25,4 μm (Nafion NRE-211), 50,8 μm (Nafion NRE-212), 127 μm (Nafion 115), 183 μm (Nafion 117) y 254 μm (Nfion NE-1110). Es una membrana transparente que debe manipularse con cuidado para evitar roturas o defectos. La Figura 3 muestra una pila de combustible PEM con membrana de Nafion.
Figura 3: Pila de combustible PEM con capa de electrolito y electrodo.
Las membranas de PFSA, como Nafion, tienen una baja resistencia celular (0,05 Q cm2) para una membrana de 100 μm de espesor con una pérdida de voltaje de sólo 50 mV a 1 A/cm2. También existen varias desventajas de las membranas PFSA, como el costo del material, los requisitos de la estructura de soporte y las limitaciones relacionadas con la temperatura. Los componentes de la planta necesarios para mantener hidratada una membrana de PFSA también añaden un coste y una complejidad considerables al sistema de pila de combustible. La eficiencia de la celda de combustible aumenta a temperaturas más altas, pero los problemas con la membrana, como la deshidratación de la membrana, la reducción de la conductividad iónica, la disminución de la afinidad por el agua, la pérdida de resistencia mecánica debido al ablandamiento de la columna vertebral del polímero y el aumento de las pérdidas parásitas debido a la alta permeabilidad del combustible se vuelven más comunes. peor. Las membranas de PFSA deben mantenerse hidratadas para conservar la conductividad de protones, pero la temperatura de funcionamiento debe mantenerse por debajo del punto de ebullición del agua. Se han realizado investigaciones en curso para encontrar un reemplazo de bajo costo para las membranas PFSA.
Se están investigando cinco categorías principales de membranas: (1) perfluoradas, (2) parcialmente fluoradas, (3) no fluoradas (incluidos los hidrocarburos), (4) compuestas no fluoradas (incluidos los hidrocarburos) y (5) otras. Existe una amplia gama de propiedades de materiales entre las membranas de cada categoría. La Tabla 1 muestra algunos ejemplos de las membranas poliméricas que se están investigando actualmente. La mayoría de las membranas tienen temperaturas de degradación que oscilan entre 250 y 500 ºC, absorción de agua de 2,5 a 27,5 H2O/SO3H y conductancia de 10 a 10 –S/cm.
Tabla 1: Ejemplos de membranas poliméricas alternativas para pilas de combustible de baja temperatura.
