Pilas de combustible con membranas poliméricas híbridas para aplicaciones a alta temperatura

Autores: R. Escudero-Cid y P. Ocón- Universidad Autónoma de Madrid

Las membranas poliméricas utilizadas en las pilas de combustible de intercambio protónico ofrecen alta conductividad iónica, buen aislamiento eléctrico, adecuada impermeabilidad gaseosa y una alta estabilidad química y electroquímica. El Nafion® es el material más usado para este tipo de membranas, está formado por un polímero perfluorinado y presenta muy buenas conductividades iónicas del orden de 0.1 S/cm a 50 °C (con alta humectación). Este material presenta el problema de que deben estar hidratado para mantener su conductividad iónica, por lo que trabajar a temperaturas cercanas a los 100 °C no es viable ya que se compromete mucho la conductividad iónica.

En estos dispositivos se necesita disponer de corrientes reactivas de hidrógeno puro, ya que trazas de CO que acompañan al hidrógeno como impureza envenenan al catalizador de Pt utilizado en los electrodos del dispositivo. Una de las soluciones a dicho problema se plantea sustituyendo las membranas de  Nafion®, por materiales de la familia de los polibenzimidazoles (PBI), las cuales presentan mayor estabilidad térmica. Por tanto, al trabajar con PBI se podrían alcanzar mayores temperaturas de operación (100 – 200 °C) en PEMFC, consiguiendo mejorar  las cinéticas de las reacciones involucradas en la pila de combustible y así utilizar catalizadores más baratos que el de Pt. Además, en este caso no sería necesario el uso de hidrógeno de alta pureza, ya que el CO a altas temperaturas se oxida a CO2 más fácilmente, siendo este inerte a los catalizadores, sin producir un alto envenenamiento de los mismos.

Para trabajar con PBI es necesario doparlo con H3PO4 (u otros dopantes), con el fin de mejorar su conductividad iónica. El PBI convenientemente dopado retiene el ácido mediante interacciones que realizan los grupos amino de su estructura con dicho ácido. El PBI no alcanza los valores de conductividad iónica que se consiguen con el Nafion®, y además la conductividad del PBI disminuye con el tiempo al ir perdiendo su dopaje. Además de utilizar el PBI, es interesante el uso de otros materiales de la familia de los polibenzimidazoles que presenten propiedades similares al PBI, como el ABPBI (poli(2,5-benzimidazol)).

Para disminuir la pérdida de dopaje, una solución es la introducción de líquidos iónicos (ILs) en las membranas de PBI. De este modo se consigue aumentar las interacciones que mantienen retenido al dopante (H3PO4). Los líquidos iónicos son sales fundidas a temperatura ambiente, no son volátiles, están formados por cationes orgánicos y aniones orgánicos/inorgánicos. Son interesantes en aplicaciones electroquímicas centradas en la conductividad protónica, ya que asegura una conductividad protónica anhídrica y una suficiente estabilidad térmica.

Al formar membranas híbridas de PBI-IL decrece las propiedades mecánicas respecto a la membrana de PBI, pero presenta una alta conductividad protónica a altas temperaturas. El problema de las membranas híbridas es que, el IL acaba saliendo de la estructura de la membrana. Una solución a este problema es utilizar una nueva familia de materiales de líquidos iónicos poliméricos (PILs) (siendo el objetivo que se plantea en este Proyecto), formados mediante una cadena repetitiva de un mismo monómero de IL, presentando características típicas de los líquidos iónicos y nuevas propiedades intrínsecas propias de un polímero.

Las membranas híbridas hechas con PIL presentan mejor homogeneidad, retención de dopaje y propiedades físicas y electroquímicas que las membranas híbridas hechas con IL. 

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