PEM

Una membrana de electrolito polimérico (PEM) es una lámina de plástico delgada y sólida que conduce protones mientras bloquea electrones y gases. Se encuentra en el corazón de las pilas de combustible PEM y los electrolizadores PEM, donde realiza el trabajo esencial de separar reacciones químicas que de otro modo se anularían entre sí. La membrana suele estar hecha de polímero de ácido perfluorosulfónico (como Nafion), una cadena principal de fluorocarbono con cadenas laterales de ácido sulfónico que absorben agua y permiten el paso de protones.

En una pila de combustible, la PEM separa el ánodo del cátodo. El hidrógeno entra por el lado del ánodo, donde se oxida a protones y electrones. Los electrones viajan a través de un circuito externo para alimentar una carga; los protones pasan a través de la propia membrana y se recombinan con oxígeno y electrones en el cátodo para producir agua. La membrana debe ser impermeable al gas hidrógeno y oxígeno, o el combustible se cruzará y la celda perderá eficiencia. El espesor de la membrana suele oscilar entre 50 y 200 micrómetros.

En un electrolizador, la PEM funciona a la inversa: la corriente eléctrica divide el agua en gas hidrógeno en el ánodo y oxígeno en el cátodo, con protones migrando a través de la membrana. Esta configuración es más limpia que la electrólisis alcalina porque produce gases secos y opera a densidades de corriente más altas, pero el ambiente ácido agresivo y los altos voltajes exigen materiales de verdadera durabilidad.

Modos de falla y degradación

Las PEM se degradan a través de varios mecanismos. El ataque de iones fluoruro rompe los enlaces en la cadena principal del polímero, especialmente bajo alta temperatura o baja humedad relativa. El estrés mecánico de los ciclos de absorción y desorción de agua provoca agrietamiento y formación de microagujeros. El cruce de gases no reaccionados conduce a la mezcla de hidrógeno y oxígeno en los electrodos, generando puntos calientes locales. La mayoría de las membranas PEM comerciales están clasificadas para 40,000 a 80,000 horas de funcionamiento en aplicaciones de pilas de combustible estacionarias, aunque los ciclos de trabajo automotrices y de ciclismo aceleran la falla.

El término "membrana de electrolito polimérico" distingue esta tecnología de los electrolitos de óxido sólido más antiguos (que operan por encima de los 800 grados Celsius) y las membranas alcalinas. La PEM opera a 60 a 80 grados Celsius, lo que mantiene bajos los costos del sistema y simplifica los materiales, pero la membrana en sí sigue siendo el componente más caro en una pila de combustible PEM, representando aproximadamente el 30 por ciento del costo de la pila.