Pilas de combustible de membrana de intercambio de protones (PEM)se encuentran entre las tecnologías más prometedoras para alcanzar el pico de carbono y la neutralidad de carbono. Aunque las celdas de combustible PEM han experimentado altibajos en los últimos siglos, actualmente desempeñan un papel crucial en la construcción de una sociedad sostenible.Pilas de combustible PEMofrecen cargas de platino (Pt) significativamente menores en comparación con generaciones anteriores. Por ejemplo, la carga total de Pt de la pila de combustible Toyota Mirai de primera generación (2017), que fue el primer vehículo de pila de combustible PEM comercializado, es de solo 0,365 mg cm⁻², una reducción sustancial en comparación con la primera pila de combustible práctica de 1962, que tenía una carga de Pt de 35 mg cm⁻² y utilizaba una solución de hidróxido de potasio como electrolito. Los avances significativos en las pilas de combustible PEM se atribuyen no solo al desarrollo de capas catalíticas, sino también a la sustitución de los electrolitos tradicionales de solución ácido/base por resinas avanzadas de ácido perfluorosulfónico (como Nafion). Desde su introducción en la década de 1970, estos materiales han evolucionado la estructura de los conjuntos de electrodos de membrana (MEA) y los procesos de fabricación relacionados.
Pilas de combustible PEMHan encontrado gradualmente aplicaciones comerciales, como servir como fuentes de energía para vehículos. Empresas como Toyota, Hyundai y Honda han lanzado vehículos de pila de combustible al mercado. Sin embargo,Pilas de combustible PEMActualmente, los motores de combustión interna y las baterías compiten con ellos, principalmente debido a sus altos costos y su menor vida útil. Para superar estos desafíos, es fundamental desarrollar materiales y tecnologías de fabricación avanzados. Este progreso requiere una estrecha colaboración entre empresas, universidades, instituciones de investigación, clientes y gobiernos. En este proceso, la investigación fundamental debe centrarse en el desarrollo de MEA de alto rendimiento y durabilidad, mientras que los esfuerzos industriales deben considerar la ampliación de la producción de materiales y componentes clave. Actualmente, los componentes de los MEA, como catalizadores, ionómeros, membranas y capas de difusión de gases (GDL), se han implementado con éxito en la producción industrial. Sin embargo, la integración de estos materiales en los MEA a menudo conlleva pérdidas significativas de rendimiento. La comunidad técnica ha prestado considerable atención a la compatibilidad de los componentes y, basándose en este conocimiento, ha desarrollado procesos mejorados de fabricación de MEA.
2. Últimos avances en materiales clave para electrodos de membrana
El MEA es el sitio principal de las reacciones electroquímicas y desempeña un papel fundamental en las celdas de combustible PEM. Los MEA suelen constar de seis componentes principales: catalizadores, ionómeros, membranas de intercambio de protones, capas de difusión de gases (GDL), adhesivos y estructuras. El mecanismo de funcionamiento de los MEA se ilustra en las figuras. La energía eléctrica se genera mediante reacciones redox independientes que ocurren en el ánodo y el cátodo. Por lo tanto, estudiar la cinética de estas reacciones redox es esencial, lo que requiere catalizadores eficientes para acelerar la cinética de la reacción. Normalmente, los catalizadores operan en la capa de catalizador, ubicada entre la GDL y la PEM. Para facilitar la transferencia de protones en la capa de catalizador y mejorar su resistencia mecánica, se deben aplicar ionómeros con propiedades conductoras de protones. La composición del ionómero suele coincidir con la de la membrana de intercambio de protones, lo que permite una rápida transferencia de protones del ánodo al cátodo, a la vez que evita el cruce de hidrógeno y oxígeno durante el funcionamiento. Además, los GDL hidrófobos en ambos lados son cruciales para la distribución del gas y la eliminación del exceso de humedad, lo cual es esencial para la gestión del agua en las celdas de combustible. Estos materiales son fundamentales para los MEA.
