Un impulso a la durabilidad de las membranas para pilas de combustible
Las pilas de combustible pueden producir electricidad a través de una reacción química entre un combustible y el oxígeno. Las que utilizan una membrana polimérica conductora de protones como electrolito se conocen como pilas de combustible de membrana de intercambio protónico (PEM). Se trata de membranas semipermeables generalmente hechas de ionómeros y diseñadas para conducir los protones al tiempo que son impermeables a los gases. Sin embargo, hasta ahora, estas pilas de combustible PEM habían fallado principalmente debido a un fallo mecánico de la membrana. Los socios del proyecto «Membranes for stationary application with robust mechanical properties» (MAESTRO) se propusieron aumentar su durabilidad y su vida útil. Uno de los materiales para PEM más habituales y disponibles comercialmente es el polímero fluorado ácido perfluorosulfónico (PFSA). En el proyecto MAESTRO se hicieron grandes progresos en la obtención de ionómeros de PFSA con bajo peso equivalente que presentaban propiedades mecánicas mejoradas en comparación con los convencionales. Es posible que los ionómeros de referencia hayan sido hasta la fecha los mejores materiales en el laboratorio. El proyecto MAESTRO demostró, no obstante, que no eran los mejores en términos de durabilidad cuando se evaluaron los conjuntos de electrodos de membrana tras cien horas de operación continua. Por ello, los investigadores utilizaron ionómeros con menor peso equivalente en su afán por preparar membranas con propiedades mecánicas robustas, empleando métodos químicos, térmicos, de procesamiento y de refuerzo con rellenos. En particular, se pretendía explorar la reticulación iónica durante la polimerización de la emulsión y la conformación de la membrana. Se obtienen así moléculas de ionómeros no lineales con mayor peso molecular, lo que permite superar los problemas asociados con cambios dimensionales de la membrana, es decir, su hinchamiento. Los científicos utilizaron también técnicas de electrohilado para producir fibras orgánicas e inorgánicas que sirvieran de refuerzo mecánico para los ionómeros de referencia de bajo peso equivalente. Mediante el refuerzo con nanofibras, los investigadores encontraron mejoras significativas de las propiedades mecánicas de las membranas finales y una mayor durabilidad, así como una conductividad más alta en comparación con la de la membrana de referencia. Otro método empleado para reforzar mecánicamente los ionómeros de referencia fue la reticulación iónica basada en nanopartículas. Se prepararon así una serie de membranas con rellenos de nanopartículas de distinta hidrofobicidad. En los ensayos in situ diseñados para acelerar la degradación mecánica, los conjuntos de electrodos de membrana estabilizados mostraron una durabilidad mejorada, con una pérdida de voltaje inferior al 3 % tras dos mil horas de operación. Los resultados del proyecto se han divulgado en distintas publicaciones y en el sitio web del proyecto.
Palabras clave
Membranas para pilas de combustible, estabilidad mecánica, membrana de intercambio protónico, propiedades mecánicas, ionómeros de PFSA