{"id":132553,"date":"2015-07-02T08:02:00","date_gmt":"2015-07-02T07:02:00","guid":{"rendered":"http:\/\/www.madrimasd.org\/blogs\/energiasalternativas\/?p=132553"},"modified":"2015-06-29T08:03:11","modified_gmt":"2015-06-29T07:03:11","slug":"membranas-de-intercambio-anionico-para-aplicaciones-en-pilas-de-combustible","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/www.madrimasd.org\/blogs\/energiasalternativas\/2015\/07\/02\/132553","title":{"rendered":"Membranas de intercambio ani\u00f3nico para aplicaciones en pilas de combustible"},"content":{"rendered":"

[Autores: R. Escudero-Cid, P. Oc\u00f3n. Universidad Aut\u00f3noma de Madrid]<\/span><\/strong><\/p>\n

Dentro de las pilas de combustible (FC), las que operan en medio alcalino (AFC) fueron las que antes encontraron aplicaci\u00f3n comercial, principalmente en las misiones aeroespaciales Apolo. Fundamentalmente, esto fue debido a las ventajas que presentaban frente a otros dispositivos similares que trabajan en medio \u00e1cido. As\u00ed, su alta eficiencia y el menor coste del material catal\u00edtico fueron determinantes a la hora de la aplicaci\u00f3n indicada. Las r\u00e1pidas cin\u00e9ticas de las reacciones de oxidaci\u00f3n de hidr\u00f3geno y reducci\u00f3n de ox\u00edgeno en medio alcalino y la posibilidad de utilizar catalizadores m\u00e1s econ\u00f3micos no basados en metales preciosos como el Pt son aspectos decisivos. Hoy en d\u00eda, el uso de este tipo de pilas de combustible ha sufrido un fuerte descenso debido a sus importantes problemas de envenenamiento por carbonataci\u00f3n del electrolito a causa del CO<\/span>2<\/span><\/sub> y, tambi\u00e9n, por la dificultad de utilizar electrolito l\u00edquido en medios de transporte [1].<\/span><\/p>\n

Teniendo en cuenta las ventajas y desventajas de esta tecnolog\u00eda, en la \u00faltima d\u00e9cada, se est\u00e1 llevando a cabo un nuevo intento de innovaci\u00f3n de estos dispositivos, incorporando la tecnolog\u00eda de membrana polim\u00e9rica de intercambio como electrolito. Para ello, se sustituye el electrolito l\u00edquido alcalino, hidr\u00f3xido de potasio o sodio, por membranas de intercambio ani\u00f3nico, capaces de transportar iones OH<\/span>–<\/span><\/sup> desde el c\u00e1todo al \u00e1nodo de la pila de combustible. De este modo se reduce notablemente el problema del envenenamiento del electrolito, mejorando las prestaciones para aplicaciones port\u00e1tiles. Adem\u00e1s, al seguir trat\u00e1ndose de un sistema alcalino, tanto las altas cin\u00e9ticas de reacci\u00f3n como la posibilidad de utilizar catalizadores econ\u00f3micamente viables en los dispositivos se mantienen.<\/span><\/p>\n

Por tanto, el uso de las membranas polim\u00e9ricas intercambiadoras de aniones para este tipo de dispositivos supone, a priori, una importante ventaja. El problema principal radica en las propias membranas, ya que deben disponer de propiedades espec\u00edficas como son: altas conductividades i\u00f3nicas y buenas propiedades t\u00e9rmicas y mec\u00e1nicas, para su posterior implementaci\u00f3n en dispositivos reales. Este es, por tanto, un gran reto, que debe implicar la mejora y optimizaci\u00f3n de las membranas con la finalidad de obtener altas eficiencias en los dispositivos reales.<\/span><\/p>\n

En los \u00faltimos a\u00f1os varios grupos se han interesado en la s\u00edntesis y caracterizaci\u00f3n de estas membranas de intercambio ani\u00f3nico partiendo de diversos materiales polim\u00e9ricos y usando diversas t\u00e9cnicas [2]. Las membranas intercambiadoras de aniones suelen conformarse como dos partes diferenciadas unidas de manera directa o indirecta: por un lado, un material normalmente polim\u00e9rico, que forma la cadena principal y, por otro, un grupo funcional cargado positivamente (cati\u00f3nico). Como cadenas principales se pueden encontrar infinidad de pol\u00edmeros, como son: el politetrafluoroetileno (PTFE), polibenzimidazol (PBI), polivinil alcohol (PVA), etileno tetrafluoroetileno (ETFE), poli(\u00e9ter-\u00e9ter-cetona) sulfonada (SPEEK) y entre otros capaces de ser conectados por los diferentes grupos cati\u00f3nicos [3]. Los sustituyentes cati\u00f3nicos se clasifican en diferentes grupos: los m\u00e1s comunes son los basados en N, como los de amonio cuaternarios (QA); los sistemas con heterociclos, incluyendo imidazoles o benzoimidazoles como el PBI, donde las cargas est\u00e1n en su propia estructura; tambi\u00e9n hay sistemas basados en P y otros basados en metales que tienen como peculiaridad la posibilidad de tener varias cargas positivas. Adem\u00e1s de las membranas anteriormente citadas, en la actualidad existen ciertas membranas desarrolladas por casas comerciales que est\u00e1n en fase de investigaci\u00f3n y que presentan buenas actividades, como las Morgane-ADP de Solvay, las AHA de Tokuyama o las Tosflex<\/span>\u00ae<\/span><\/sup> de Tosoh. Hasta ahora, las membranas m\u00e1s utilizadas son las que usan amonio cuaternario como grupo funcional, ya que presentan mejores prestaciones en pila de combustible. Algunos de los mejores resultados obtenidos hoy en d\u00eda son los que incluyen un grupo cati\u00f3nico unido de manera indirecta, a trav\u00e9s de otro ligando, a la estructura central, la cual previamente ha de ser irradiada con altas energ\u00edas para permitir su modificaci\u00f3n y la interacci\u00f3n con los ligandos. El mejor resultado obtenido en pila de combustible, en la University of Newcastle, tiene valores de potencia m\u00e1xima de 823\u00a0mW\u00b7cm<\/span>-2<\/span><\/sup> y m\u00e1xima corriente de 1800 mA\u00b7cm<\/span>-2 <\/span><\/sup>[4], valores en el orden de los obtenidos para una pila alimentada con H<\/span>2<\/span><\/sub>\/O<\/span>2<\/span><\/sub> y Nafion<\/span>\u00ae<\/span><\/sup> como membrana.<\/span><\/p>\n

En el caso de la utilizaci\u00f3n de las membranas de intercambio ani\u00f3nico para pilas de combustible de alcohol directo (DAFC) se analiza, en primer lugar, la disminuci\u00f3n de la permeabilidad; siendo conveniente obtener valores menores que los de la membrana de Nafion<\/span>\u00ae<\/span><\/sup>. Se procede a las medidas en pila de combustible mediante dos procedimientos diferentes: uno a\u00f1adiendo solamente el combustible en el \u00e1nodo y, el otro, a\u00f1adiendo, adem\u00e1s, una cierta cantidad de KOH o NaOH junto con el combustible. Para el caso de metanol como combustible, en el primero de los escenarios, los valores m\u00e1ximos de potencia obtenidos son <\u00a020 mW\u00b7cm<\/span>-2<\/span><\/sup>, menores a los presentados para las pilas de intercambio prot\u00f3nico en similares condiciones. En el segundo de los escenarios, a\u00f1adiendo KOH o NaOH al \u00e1nodo, se produce una mejora importante en el voltaje an\u00f3dico (> 300 mV) y con OCP en la celda cercano a 0.9 V. Aparecen resultados interesantes usando este m\u00e9todo de ensayo con metanol como combustible: se han alcanzado valores m\u00e1ximos de potencia de 132\u00a0mW\u00b7cm<\/span>-2<\/span><\/sup> con una membrana A006 (Tokuyama) a 80 \u00baC y 5\u00a0M de KOH en el \u00e1nodo<\/span>\u00a0 <\/span>e, incluso, llegando a 168 mW\u00b7cm<\/span>-2<\/span><\/sup> con una membrana A201 (Tokuyama) a 90\u00a0\u00baC y 2 M de KOH [5]. Al a\u00f1adir KOH o NaOH al \u00e1nodo con el combustible, los resultados obtenidos son claramente mejores, pudiendo ser superiores a los hallados en medio \u00e1cido, demostrando buenas cin\u00e9ticas de reacci\u00f3n y buenas conductividades de las membranas.<\/span><\/p>\n

Debido a las ventajas de este tipo de pilas de combustible en el Grupo de Investigaci\u00f3n en Electroqu\u00edmica de la UAM se est\u00e1 trabajando en la actualidad en el desarrollo de este tipo de membranas de intercambio ani\u00f3nico para uso en pilas de combustible de membrana polim\u00e9rica (PEMFC).<\/span><\/p>\n


\n<\/span><\/p>\n

[1]<\/span>\u00a0\u00a0 <\/span>Energy.gov (21\/05\/2015). \u00abSemipermeable membranes\u00bb<\/span>\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0 <\/span> from <\/span>http:\/\/energy.gov\/eere\/fuelcells\/types-fuel-cells<\/span><\/a><\/p>\n

[2]<\/span>\u00a0\u00a0 <\/span>Varcoe, J. R., Atanassov, P., Dekel, D. R., Herring, A. M., Hickner, M. A., Kohl, P. A., Kucernak, A.R., Mastain W. E., Nijmeijer, K., Scott, K., Xu, T., Zhuang, L. (2014). <\/span>Energy & Enviromental Science<\/span><\/span>, 7, 3135.<\/span><\/p>\n

[3] Deavin, O. I., Murphy, S., Ong, A. L., Poynton, S. D., Zeng, R. Herman, H. (2012) <\/span>Energy and Environmental Science<\/span><\/span>. 5, 8584.<\/span><\/p>\n

[4] Mamlouk, M., Horsfall, J. A., Williams, C., Scott, K. (2012) <\/span>International Journal of Hydrogen Energy,<\/span><\/span> 37, 11912<\/span>.<\/span><\/p>\n

[5] Prakash, G. K. S., Krause, F. C., Viva, F. A., Narayanan, S. R., Olah, G. A. (2011) <\/span>Journal of Power Sources<\/span><\/span>. 196, 7967.<\/span><\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"

[Autores: R. Escudero-Cid, P. Oc\u00f3n. Universidad Aut\u00f3noma de Madrid] Dentro de las pilas de combustible (FC), las que operan en medio alcalino (AFC) fueron las que antes encontraron aplicaci\u00f3n comercial, principalmente en las misiones aeroespaciales Apolo. Fundamentalmente, esto fue debido a las ventajas que presentaban frente a otros dispositivos similares que trabajan en medio \u00e1cido. As\u00ed, su alta eficiencia y el menor coste del material catal\u00edtico fueron determinantes a la hora de la aplicaci\u00f3n indicada. Las r\u00e1pidas cin\u00e9ticas de las reacciones de oxidaci\u00f3n de hidr\u00f3geno y reducci\u00f3n de ox\u00edgeno en medio alcalino y la posibilidad de utilizar catalizadores m\u00e1s econ\u00f3micos\u2026<\/p>\n","protected":false},"author":29,"featured_media":0,"comment_status":"open","ping_status":"open","sticky":false,"template":"","format":"standard","meta":{"ngg_post_thumbnail":0},"categories":[545,1784,543,547],"tags":[],"blocksy_meta":{"styles_descriptor":{"styles":{"desktop":"","tablet":"","mobile":""},"google_fonts":[],"version":4}},"aioseo_notices":[],"_links":{"self":[{"href":"https:\/\/www.madrimasd.org\/blogs\/energiasalternativas\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/132553"}],"collection":[{"href":"https:\/\/www.madrimasd.org\/blogs\/energiasalternativas\/wp-json\/wp\/v2\/posts"}],"about":[{"href":"https:\/\/www.madrimasd.org\/blogs\/energiasalternativas\/wp-json\/wp\/v2\/types\/post"}],"author":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/www.madrimasd.org\/blogs\/energiasalternativas\/wp-json\/wp\/v2\/users\/29"}],"replies":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/www.madrimasd.org\/blogs\/energiasalternativas\/wp-json\/wp\/v2\/comments?post=132553"}],"version-history":[{"count":1,"href":"https:\/\/www.madrimasd.org\/blogs\/energiasalternativas\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/132553\/revisions"}],"predecessor-version":[{"id":132554,"href":"https:\/\/www.madrimasd.org\/blogs\/energiasalternativas\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/132553\/revisions\/132554"}],"wp:attachment":[{"href":"https:\/\/www.madrimasd.org\/blogs\/energiasalternativas\/wp-json\/wp\/v2\/media?parent=132553"}],"wp:term":[{"taxonomy":"category","embeddable":true,"href":"https:\/\/www.madrimasd.org\/blogs\/energiasalternativas\/wp-json\/wp\/v2\/categories?post=132553"},{"taxonomy":"post_tag","embeddable":true,"href":"https:\/\/www.madrimasd.org\/blogs\/energiasalternativas\/wp-json\/wp\/v2\/tags?post=132553"}],"curies":[{"name":"wp","href":"https:\/\/api.w.org\/{rel}","templated":true}]}}