Tipos de membranas alcalinas usadas en celdas de combustible

[Autores: D. Herranz, P. Ocón-Universidad Autónoma de Madrid]

En el panorama actual de búsqueda de alternativas para el modelo de producción, transformación y consumo de energía las pilas de combustible son una tecnología prometedora para aplicaciones tanto de transporte como estacionarias. Las ventajas principales de esta tecnología son la posibilidad de alcanzar eficiencias más altas que los convencionales motores de combustión (los cuales están limitados por el ciclo de Carnot) y el hecho de ser una tecnología menos contaminante y por tanto más sostenible¹².

Dentro de las pilas de combustible, las que se utilizan en el rango de baja temperatura (entre temperatura ambiente y 100ºC aproximadamente) se dividen en dos tipos, dependiendo de la carga de los iones que conduzcan a través de la membrana³: pilas de combustible con membranas de intercambio protónico (PEMFCs por sus siglas en inglés de proton Exchange membrane fuel cells) y pilas de combustible con membranas de intercambio alcalinas (AEMFCs por sus siglas en inglés de alkaline exchange membrane fuel cells). Las pilas de combustible alcalinas presentan ventajas importantes como unas mejores cinéticas de reacción para la reducción del oxígeno y el uso de catalizadores basados en metales no nobles con la reducción de costes que esto conlleva; a pesar de ello tienen en contra que a día de hoy aun no tienen una potencia comparable a las PEMFCs principalmente por tener menor conductividad iónica a través de la membrana. Para superar esta barrera en la actualidad se está estudiando como sintetizar membranas con mejores conductividades, manteniendo una buena estabilidad en medio alcalino y adecuadas propiedades mecánicas para poder soportar las condiciones de uso en la celda de combustible. Otras funciones que deben cumplir las membranas, además de la rápida conducción de los iones, son ser aislantes eléctricamente para separar de forma efectiva el cátodo del ánodo, presentar en menor cruce de flujos posible de combustible y corriente oxidante y ser lo más fina posible (aproximadamente entre 50 y 80μ). En la actualidad hay muchos tipos de membranas alcalinas distintos, la mayoría de los cuales son descritos a continuación atendiendo especialmente a su estructura final. La mayoría de las membranas alcalinas pueden ser clasificadas dentro de los tres siguientes grupos⁴: membranas heterogéneas, redes de polímeros entrecruzados y membranas homogéneas.

Las membranas heterogéneas se definen por estar compuestas por un material de intercambio de aniones embebido en un compuesto inerte. Según el tipo de compuesto inerte se dividen a su vez en polímeros solvatando iones (ISP por las siglas en inglés de ion-solvating polymers) si es una sal y membranas híbridas (hybrid membranes) si se trata de un segmento inorgánico. En las membranas con polímeros solvatando iones se crean enlaces donador-aceptor entre átomos electronegativos de la cadena y los cationes de la sal, esta interacción permite que los aniones puedan moverse a través de la membrana pasando de un catión a otro. En las membranas híbridas generalmente la parte orgánica proporciona las propiedades electroquímicas y la parte inorgánica (silano o siloxano) las mecánicas. La mayoría de las veces las membranas híbridas son sintetizadas por proceso sol-gel, pero hay otras rutas posibles como intercalación, mezcla, polimerización in situ y auto-ensamblado molecular.

En las redes de polímeros entrecruzados (IPN por sus siglas de inglés de interpenetrated polymer network) se da la combinación de dos polímeros de forma que conforman una estructura de red cuando al menos uno de los dos es sintetizado o entrecruzado consigo mismo en presencia del otro, de forma que no hay ningún enlace covalente entre ambos polímeros. La ventaja de esta estructura frente a otras en la que hay mezclas de polímeros es que normalmente en presencia de solvente se hincha, pero no se disuelve y se previene el deslizamiento y flujo de los polímeros implicados. Aunque este tipo de membranas suelen tener mejores conductividades que las heterogéneas, en general son insuficientes para su aplicación en pila de combustible.

A diferencia de las anteriores, las membranas homogéneas consisten exclusivamente en el material de intercambio aniónico, que forma un sistema de una sola fase. En estas membranas las cargas catiónicas están covalentemente unidas al esqueleto polimérico mientras que los contra iones móviles preservan la electroneutralidad del polímero en su conjunto. La estabilidad por tanto en medio alcalino ha de ser considerada tanto para el esqueleto polimérico como para las cargas fijas. De acuerdo al modo de producción y los materiales de inicio las membranas homogéneas pueden ser divididas en tres tipos: el primero son las preparadas por polimerización o policondensación de monómeros, en las cuales el monómero tiene o puede tener un grupo de intercambio aniónico y puede ser copolimerizado con otros monómeros funcionalizados (o no funcionalizados) para crear la membrana; el segundo son las membranas formadas por introducción de partes catiónicas por modificación química de un polímero, los polímeros más comunes en los cuales se introducen grupos catiónicos son el estireno, poliéteres alifáticos, polipropileno, polivinilalcohol, Chitosan, polietilen-glicol, líquidos iónicos, polímeros de éteres aromáticos y otros;  el tercer tipo son las membranas sintetizadas por introducción  de grupos catiónicos en una película/membrana ya formada, pudiendo meter directamente el monómero con el grupo catiónico o un monómero que pueda después ser modificado. Para introducir el monómero en el polímero se pueden usar distintos métodos como radiación con haz de electrones, luz UV o plasma. En comparación con los sistemas descritos anteriormente, las membranas homogéneas suelen ofrecer los mejores resultados en pila de combustible, en parte gracias a la homogeneidad en la distribución de los grupos catiónicos fijos en toda la membrana.

Bibliografía

1.        Varcoe, J. R. et al. Anion-exchange membranes in electrochemical energy systems. Energy Environ. Sci.7, 3135–3191 (2014).

2.        Xuebao, H. & Hong-ying, H. O. U. Recent Research Progress in Alkaline Polymer Electrolyte Membranes for Alkaline Solid Fuel Cells. 30, 1393–1407 (2014).

3.        Steele, B. C. & Heinzel, A. Materials for fuel-cell technologies. Nature414, 345–352 (2001).

4.        Merle, G., Wessling, M. & Nijmeijer, K. Anion exchange membranes for alkaline fuel cells: A review. J. Memb. Sci.377, 1–35 (2011).