Membrana electrolítica

Tipos de membranas de electrolitos

Una **membrana de electrolito** es un componente crucial de los electrolizadores y las pilas de combustible. Proporciona una ruta conductora para los iones al mismo tiempo que separa los reactivos. Se utilizan varios tipos de membranas de electrolitos en las pilas de combustible.

• Membranas de ácido perfluorosulfónico (PFSA): Las membranas PFSA, incluida la Nafion, son las principales membranas de electrolitos de las pilas de combustible. Son muy apreciadas porque conducen bien los protones y son químicamente estables. La membrana Nafion tiene una columna vertebral de fluoropolímero y grupos de ácido sulfónico, que proporcionan conductividad protónica. Las membranas PFSA funcionan bien para automóviles y dispositivos que funcionan a temperatura y presión ambiente. Sin embargo, su rendimiento a alta temperatura podría ser un problema, ya que podrían perder agua y disminuir la conductividad a temperaturas más altas.
• Membranas PFSA modificadas: Para mejorar la conductividad y estabilidad del potasio en las pilas de combustible, algunas membranas combinan PFSA con otras sustancias. Por ejemplo, la incorporación de nanopartículas inorgánicas o mezclas de polímeros puede mejorar las propiedades mecánicas o reducir la permeabilidad al oxígeno. Estas membranas PFSA modificadas tienen como objetivo mejorar el rendimiento y la durabilidad de las pilas de combustible en diversas aplicaciones.
• Membranas de electrolito polimérico: Las membranas de electrolito polimérico, también conocidas como membranas de electrolito polimérico sólido, fabricadas con polímeros distintos de los fluorados, pueden ser otro tipo de membrana de electrolito. Estas membranas son una alternativa a las membranas de polímero fluorado, ya que tienen como objetivo mejorar la conductividad protónica mientras disminuyen el efecto ambiental de los fluorocarbonos. La estabilidad, el rango de conductividad y el rendimiento de las pilas de combustible de estas membranas aún deben establecerse, pero prometen ser una alternativa más ecológica.
• Membranas conductoras de protones a alta temperatura: Las membranas que conducen protones a temperaturas más altas proporcionan un mejor rendimiento de las pilas de combustible y menos deshidratación de la membrana. A temperaturas elevadas, estas membranas pueden soportar mayores tensiones químicas y térmicas, mejorando la durabilidad de las pilas de combustible. Estas membranas de alta temperatura tienen un posible uso en pilas de combustible de membrana de electrolito polimérico (PEMFC) para el transporte y la generación de energía estacionaria. Sin embargo, sus desafíos técnicos y su comercialización deben abordarse antes de que puedan reemplazar las membranas PFSA convencionales.
• Membranas compuestas: Las membranas compuestas tienen como objetivo combinar las características beneficiosas de diferentes membranas utilizando una combinación de materiales. Por ejemplo, las membranas pueden exhibir una mejor conductividad iónica, una mejor estabilidad química y mayores propiedades mecánicas. Las membranas compuestas tienen el potencial de superar las limitaciones de las membranas de un solo componente y pueden encontrar aplicaciones en una variedad de dispositivos electroquímicos.

Especificaciones y mantenimiento de la membrana de electrolitos

Las características técnicas de la membrana de electrolitos varían según el tipo de pila de combustible para la que está diseñada. Aquí se presentan algunas especificaciones críticas que corresponden a los tipos de membranas de electrolitos mencionados anteriormente:

• Espesor: Normalmente, el espesor de la membrana puede ser de hasta varios cientos de micrómetros (μm), incluso hasta 250 μm-350 μm. Por ejemplo, el espesor de la Nafion viene en variantes como 183, 212 y 112, siendo 212 de 25 μm.
• Conductividad: Conductividad (tanto protónica como de hidróxido) de las membranas de electrolitos. Por ejemplo, la conductividad de una membrana Nafion oscila entre 0,1 y 0,15 ohmios/cm.
• Rango de temperatura: Algunas membranas de electrolitos pueden soportar tanto temperaturas bajas como altas. Las membranas pueden funcionar bien con temperaturas que oscilan entre -50 °C y 120 °C e incluso hasta 160 °C sin perder su integridad estructural.
• Permeabilidad al gas: Las membranas de electrolitos deben permitir el paso de protones mientras impiden el paso de gases como el hidrógeno y el oxígeno. El coeficiente de permeabilidad al gas de estas membranas debe ser lo suficientemente bajo como para detener el cruce de gas, reduciendo la eficiencia y el rendimiento de la celda.

Mantenimiento de los electrolitos de membrana:

El mantenimiento de las membranas electrolíticas es necesario para el rendimiento, la longevidad y la eficiencia. Diferentes pilas de combustible requieren diferentes métodos de mantenimiento, por lo que aquí se presentan algunos métodos generales de mantenimiento:

• Limpieza: El proceso de limpieza es bastante importante, pero el método varía para diferentes tipos de membranas. Por ejemplo, la limpieza de Nafion se realiza mediante CMP (pulido químico mecánico). En CMP, las suspensiones químicas y mecánicas utilizadas en el proceso reaccionan químicamente para absorber los contaminantes. Las pilas de combustible de Nafion suelen sumergirse en una solución de limpieza de agua jabonosa suave. La solución se hace circular suavemente a través de la celda durante 15 minutos a una hora, lo que limpia la membrana. La solución de limpieza se neutraliza y la celda se vuelve a montar. Mientras que para los procesos de limpieza de pilas de combustible de electrolitos sólidos cerámicos, se aplica una técnica de flujo inverso. En la técnica de flujo inverso, el flujo de gas se invierte temporalmente a través de la celda.
• Secado: Secar la membrana de electrolitos es muy importante. Ayuda a detener el crecimiento de moho y bacterias. Sin embargo, el tipo de membrana de electrolitos determina cómo se debe realizar el secado. Por ejemplo, las membranas de intercambio protónico deben rehidratarse lentamente después de secarse. Esto se debe a que aumentar rápidamente la temperatura puede hacer que se encojan y se rompan. Por lo tanto, en lugar de secarlas o calentarlas rápidamente, los usuarios deben secar lentamente las membranas y almacenarlas en un ambiente húmedo hasta que las celdas alcancen la temperatura de funcionamiento normal. Además, después de apagar una celda de electrólisis, los usuarios deben purgar la celda con agua y encender las bombas durante al menos cinco minutos más. Esto ayuda a eliminar rápidamente el agua del sistema.
• Almacenamiento: Almacenar las membranas de electrolitos correctamente tiende a ser bastante esencial para su rendimiento y longevidad. Por ejemplo, las membranas deben conservarse en entornos humidificados cuando no están en uso. Esto ayuda a evitar que se sequen y se agrieten. Además, las membranas deben mantenerse en un rango de temperatura de 20-30 °C que no sea demasiado alta ni demasiado baja.

Escenarios de uso de membranas de electrolitos

Las membranas de electrolitos son útiles en varias industrias.

• Producción de energía limpia

  Las membranas de electrolitos son componentes esenciales de las pilas de combustible, que son dispositivos que convierten la energía química en energía eléctrica. Por ejemplo, la pila de combustible de membrana de intercambio protónico (PEM) utiliza membranas de electrolitos para generar energía mediante la reacción electroquímica del hidrógeno (combustible) con el oxígeno del aire. Esta reacción se produce mientras las membranas facilitan el movimiento de protones. Las PEMFC representan dos sistemas donde se aplican las membranas de electrolitos: vehículos y generación de energía estacionaria.

• Sistema de almacenamiento de energía

  Las membranas de electrolitos se utilizan en baterías, específicamente en la conducción iónica. Permiten el movimiento de iones mientras bloquean el flujo de electrones, lo que permite que las baterías funcionen.

• Reactores electroquímicos

  Los reactores incluyen electrolizadores y celdas electroquímicas. La electrólisis basada en membranas divide el agua en hidrógeno y oxígeno. Los reactores que utilizan membranas de electrolitos como componentes separadores incluyen el proceso Haber (producción de amoníaco), el proceso cloro-álcali y los supercondensadores.

• Plantas desalinizadoras de agua

  La electrólisis de membrana se utiliza ampliamente en el tratamiento del agua. El proceso consiste en utilizar corriente eléctrica para separar los iones del agua. Esto trata específicamente el agua salada o el agua de mar para hacerla potable.

• Aplicación biomédica

  Los dispositivos biomédicos incluyen biosensores y biorreactores. Estos últimos utilizan membranas para separar varios compuestos biológicos. En el proceso, también transfieren iones y especies bio. Por ejemplo, las membranas permeables a cationes se aplican en biosensores para la detección de la concentración de iones de potasio.

• Industria textil y otras industrias químicas

  En la industria textil, las membranas de electrolitos se aplican en operaciones de teñido. Las membranas facilitan el teñido de la fibra para mejorar la calidad textil. Además, en la fabricación de productos químicos, las membranas se utilizan en la electrodiálisis. Las membranas ayudan en los procesos de separación y purificación para producir productos químicos como ácidos y sales.

• Detección y diagnóstico electroquímico

  Las membranas de electrolitos, en particular las membranas selectivas de iones, son componentes cruciales en los electrodos selectivos de iones (ISE). Los ISE son sensores que se utilizan para detectar y medir iones específicos en diversas muestras. Se aplican ampliamente en la vigilancia ambiental, el diagnóstico clínico y el análisis de la calidad de los alimentos.

Elección de la membrana de electrolitos adecuada

Al comprar conjuntos de electrodos de membrana (MEA), pilas de combustible o membranas de electrolitos para la reventa, los clientes deben buscar productos fabricados con tecnología de vanguardia. Entre las tecnologías que mejoran el rendimiento de las membranas se encuentran los procesos de colada, inversión de fase y secado que se utilizan para su fabricación.

Los compradores deben priorizar los productos fabricados por marcas que ofrecen garantías completas. Las garantías dan a los clientes confianza en los productos que venden a los usuarios finales. También proporcionan a los clientes un buen punto de venta cuando buscan compradores potenciales.

Dado que existen numerosos tipos de membranas PEMFC disponibles, los compradores también deben invertir en investigación de mercado antes de ponerse en contacto con proveedores potenciales. La investigación revelará los tipos de membranas que demanda el mercado. También revelará marcas populares, lo que permitirá a los compradores saber las marcas ideales con las que asociarse.

Es esencial tener en cuenta que la compatibilidad con ensamblajes específicos de pilas de combustible es vital para un rendimiento óptimo. Por lo tanto, los compradores deben vender membranas que sean compatibles con las tecnologías de pilas de combustible ampliamente utilizadas. Las membranas con las que los usuarios están familiarizados limitarán la posibilidad de vender productos de calidad inferior.

Para obtener más información sobre las membranas de electrolitos, los compradores deben considerar unirse a grupos y asociaciones relacionados con la industria. Estas organizaciones proporcionan información valiosa sobre la industria, incluidos los proveedores potenciales y los productos populares.

Preguntas frecuentes sobre la membrana de electrolitos

P1: ¿Cuál es la función de la membrana de electrolitos?

A1: La membrana de electrolitos sirve para transportar selectivamente iones al mismo tiempo que evita el paso de gases como el hidrógeno y el oxígeno.

P2: ¿Cuáles son las características de una buena membrana de electrolitos?

A2: Una buena membrana de electrolitos debe tener una alta conductividad protónica, una excelente estabilidad térmica y química, un grado de hidratación adecuado y una baja tasa de cruce.

P3: ¿Por qué la membrana de electrolitos es tan cara?

A3: El costo de la membrana de electrolitos es alto debido a la escasez de los materiales y la complejidad de los procesos de producción.

P4: ¿Cuánto duran las membranas?

A4: La vida útil de las membranas puede variar de 5 a 30 años, dependiendo de las condiciones de funcionamiento y el mantenimiento.