Membranas de intercambio aniónico comerciales y su aplicación en pila de combustible alcalina

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

En los últimos años ha aumentado el interés a escala mundial sobre las membranas de intercambio aniónicas debido a su potencial en sistemas electroquímicos de conversión y almacenamiento de energía, lo cual se ha traducido en un importante desarrollo de la investigación y comercialización de las mismas.

Las membranas de intercambio aniónicas o alcalinas tienen distintos usos en la actualidad, entre los cuales cabe destacar: electrodeionización (usado para purificación del agua), electrocoating (para sistemas de pintura anódica y catódica), electrólisis (obtención a partir de agua de hidrógeno y oxígeno puros), electrodiálisis (para desalinización y desmineralización del agua),  diálisis por difusión (para recuperación de ácidos) y pilas de combustible (transformación de energía química en eléctrica directamente) entre otros.

Algunas de las empresas más importantes que están comercializando en la actualidad este tipo de membranas son: Membranes International Inc., Fumatech, Mega a.s., Solvay y Tokuyama. Para sintetizar sus membranas utilizan diversas estrategias de síntesis y polímeros, algunos ejemplos son el uso de gel poliestireno entrecruzado con divinilbenzona o el polietileno mezclado con poliamida ó poliéster; además usan distintos refuerzos para las membranas con el fin de mejorar sus propiedades mecánicas, como ejemplo se tiene el PEEK (poliéter éter cetona) o el PET (tereftalato de polietileno).

Varios ejemplos de membranas aniónicas que son utilizadas para este tipo de procesos se muestran en la siguiente tabla:

Como se indicó arriba uno de los posibles usos es la aplicación en pilas de combustible, con las cuales se consigue una conversión directa de la energía química, que contienen los combustibles, en energía eléctrica, lo cual lleva asociada una alta eficiencia energética teórica (del 83% en el caso de la pila H2/O2). Este dispositivo presenta por lo tanto unas características ideales para funcionar como sistemas transformador de energía con una contaminación asociada despreciable o incluso nula, características muy necesarias debido a los graves problemas de contaminación que se tienen en la actualidad.

En el campo de las pilas de combustible, las de membrana polimérica son dispositivos donde los iones viajan a través de la misma entre el ánodo y el cátodo; las membranas que han tenido un mayor desarrollo y que más se han comercializado hasta la fecha han sido las de intercambio catiónico (funcionan en medio ácido) ya que tienen una buena estabilidad química y mecánica aunque presentan una cinética lenta para la reducción del oxígeno y por lo tanto necesitan catalizadores de metales nobles, en general caros, como por ejemplo el Pt. El material más común y ampliamente comercializado de este tipo de membranas es el Nafion®.

Por otro lado, las membranas de intercambio aniónico funcionan en medio alcalino; la ventaja más importante que presenta este medio es que las cinéticas de reacción son más rápidas que en medio ácido, sobre todo en la reducción del oxígeno y la oxidación de alcoholes, permitiendo por tanto el uso de catalizadores menos nobles y más baratos y siendo de especial relevancia para la futura comercialización y aplicación final en dispositivos tanto estacionarios como móviles y portátiles.

Las membranas de intercambio aniónico sin embargo no han tenido un uso importante en su aplicación para pilas de combustible comerciales, esto se debe básicamente a que todavía no se han conseguido desarrollar membranas que cumplan de manera satisfactoria el conjunto de las siguientes características: alta conductividad de iones OH-, alta estabilidad mecánica y alta estabilidad química a elevados pHs y temperaturas.

Aun así ya hay varias membranas comerciales, las cuales están siendo estudiadas desde distintos puntos de vista: tanto como referencia durante el desarrollo de otras membranas,1-3 como alterándolas de distintas formas para obtener membranas mejoradas basadas en estas comerciales4 ó usándolas directamente en la pila de combustible5,6.

Con estas membranas comerciales se han conseguido ya a día de hoy resultados muy prometedores al medir en pila de combustible. Por ejemplo con membranas Tokuyama se han obtenido picos de densidad de potencia máxima de 450 mW cm-2 y 340 mW cm-2 en H2/O2 y H2/aire (libre de CO2) respectivamente, a 50ºC.7 También se estudia la posibilidad de utilizar alcoholes como combustible (que se ve especialmente favorecida en medio básico como antes se ha mencionado), un ejemplo de los buenos resultados obtenidos en este campo son los 165 mW cm-2 que se han conseguido obtener con una membrana Tokuyama A-006 a 80ºC alimentada con etanol al 10% y O2.8

Como conclusión se puede afirmar que aunque las membranas de intercambio aniónico alcalinas aun no tienen un uso extenso para su aplicación en pila de combustible, sí que empieza a haber membranas comerciales con buenas características y en el futuro seguramente puedan desarrollarse hasta igualar o superar a las de intercambio catiónico.

 Bibliografía

1.        Zarrin, H., Jiang, G., Lam, G. Y.-Y., Fowler, M. & Chen, Z. High performance porous polybenzimidazole membrane for alkaline fuel cells. Int. J. Hydrogen Energy 39, 18405–18415 (2014).

2.        Ren, X., Price, S. C., Jackson, A. C., Pomerantz, N. & Beyer, F. L. Highly conductive anion exchange membrane for high power density fuel-cell performance. ACS Appl. Mater. Interfaces 6, 13330–3 (2014).

3.        Gopi, K. H., Peera, S. G., Bhat, S. D., Sridhar, P. & Pitchumani, S. 3-Methyltrimethylammonium poly(2,6-dimethyl-1,4-phenylene oxide) based anion exchange membrane for alkaline polymer electrolyte fuel cells. Bull. Mater. Sci. 37, 877–881 (2014).

4.        Follain, N. et al. Water Transport Properties of Plasma-Modified Commercial Anion-Exchange Membrane for Solid Alkaline Fuel Cells. J. Phys. Chem. C 116, 8510–8522 (2012).

5.        Kruusenberg, I. et al. Highly active nitrogen-doped nanocarbon electrocatalysts for alkaline direct methanol fuel cell. J. Power Sources 281, 94–102 (2015).

6.        Pandey, T. P., Peters, B. D., Liberatore, M. W. & Herring, A. M. Insight on Pure vs Air Exposed Hydroxide Ion Conductivity in an Anion Exchange Membrane for Fuel Cell Applications. ECS Trans. 64, 1195–1200 (2014).

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

8.        Bianchini, C. & Shen, P. K. Palladium-based electrocatalysts for alcohol oxidation in half cells and in direct alcohol fuel cells. Chem. Rev. 109, 4183–4206 (2009).

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