Membrana d'intercanvi de protons

Pila de combustible PEMFC

Una membrana d'intercanvi de protons, o membrana polímer-electròlit (PEM), és una membrana semipermeable generalment feta d'ionòmers i dissenyada per conduir protons alhora que actua com a aïllant electrònic i barrera de reactius, per exemple a l'oxigen i al gas hidrogen. Aquesta és la seva funció essencial quan s'incorporen a un conjunt d'elèctrodes de membrana (MEA) d'una pila de combustible de membrana d'intercanvi de protons o d'un electròlitzador de membrana d'intercanvi de protons: separació de reactius i transport de protons mentre bloqueja una via electrònica directa a través de la membrana.

Els PEM es poden fer a partir de membranes de polímer pur o de membranes compostes, on altres materials estan incrustats en una matriu de polímer. Un dels materials PEM més comuns i disponibles comercialment és el fluoropolímer (PFSA) [1] Nafion, un producte de DuPont. Mentre que Nafion és un ionòmer amb una columna vertebral perfluorada com el tefló, [2] hi ha molts altres motius estructurals utilitzats per fer ionòmers per a membranes d'intercanvi de protons. Molts utilitzen polímers poliaromàtics, mentre que altres utilitzen polímers parcialment fluorats.

Les membranes d'intercanvi de protons es caracteritzen principalment per la conductivitat dels protons (σ), la permeabilitat al metanol (P) i l'estabilitat tèrmica.[3]

Les piles de combustible PEM utilitzen una membrana de polímer sòlid (una fina pel·lícula de plàstic) que és permeable als protons quan està saturada d'aigua, però no condueix electrons.

Leonard Niedrach (esquerra) i Thomas Grubb (dreta), inventors de la tecnologia de membrana d'intercanvi de protons.

Història

La primera tecnologia de membrana d'intercanvi de protons va ser desenvolupada a principis dels anys 60 per Leonard Niedrach i Thomas Grubb, químics que treballaven per a la General Electric Company.[4] Es van dedicar recursos governamentals significatius a l'estudi i desenvolupament d'aquestes membranes per utilitzar-les en el programa de vols espacials Project Gemini de la NASA.[5] Una sèrie de problemes tècnics van portar a la NASA a renunciar a l'ús de piles de combustible de membrana d'intercanvi de protons en favor de les bateries com a alternativa de menor capacitat però més fiable per a les missions Gemini 1-4.[6] Una generació millorada de la pila de combustible PEM de General Electric es va utilitzar en totes les missions Gemini posteriors, però es va abandonar per a les missions Apollo posteriors.[7] L'ionòmer fluorat Nafion, que avui és el material de membrana d'intercanvi de protons més utilitzat, va ser desenvolupat pel químic plàstic de DuPont Walther Grot. Grot també va demostrar la seva utilitat com a membrana separadora electroquímica.[8]

El 2014, Andre Geim, de la Universitat de Manchester, va publicar resultats inicials sobre monocapes gruixudes d'àtoms de grafè i nitrur de bor que només van permetre que els protons travessin el material, convertint-los en un potencial substitut dels ionòmers fluorats com a material PEM.[9][10]

Pila de combustible

Els PEMFC tenen alguns avantatges sobre altres tipus de piles de combustible, com ara les piles de combustible d'òxid sòlid (SOFC). Els PEMFC funcionen a una temperatura més baixa, són més lleugers i compactes, la qual cosa els fa ideals per a aplicacions com els cotxes. Tanmateix, alguns desavantatges són: els ~80 La temperatura de funcionament de °C és massa baixa per a la cogeneració com en els SOFC, i l'electròlit dels PEMFC ha d'estar saturat d'aigua. No obstant això, alguns cotxes de pila de combustible, inclòs el Toyota Mirai, funcionen sense humidificadors, depenent de la ràpida generació d'aigua i de l'alta taxa de retrodifusió a través de membranes primes per mantenir la hidratació de la membrana, així com l'ionòmer de les capes del catalitzador.

Els PEMFC d'alta temperatura funcionen entre 100 °C i 200 °C, que pot oferir beneficis en la cinètica dels elèctrodes i la gestió de la calor, i una millor tolerància a les impureses del combustible, especialment el CO en el reformat. Aquestes millores podrien conduir a una major eficiència global del sistema. No obstant això, aquests guanys encara no s'han realitzat, ja que les membranes d'àcid sulfònic perfluorat (PFSA) estàndard d'or perden funció ràpidament a 100 °C i més si la hidratació cau per sota del ~100% i comencen a avançar en aquest rang de temperatura, donant lloc a un aprimament localitzat i una vida útil general més baixa del sistema. Com a resultat, s'estudien activament nous conductors de protons anhidres, com ara els cristalls de plàstic iònics orgànics pròtics (POIPC) i els líquids iònics pròtics, per al desenvolupament de PEM adequats.[11][12][13]

Aplicacions

L'aplicació principal de les membranes d'intercanvi de protons és a les piles de combustible PEM. Aquestes piles de combustible tenen una gran varietat d'aplicacions comercials i militars, incloses les indústries aeroespacial, automotriu i energètica.[14][15]

Les primeres aplicacions de piles de combustible PEM es van centrar a la indústria aeroespacial. La capacitat aleshores més gran de les piles de combustible en comparació amb les bateries les va fer ideals, ja que el Projecte Gemini de la NASA va començar a apuntar a missions espacials de més durada del que s'havia intentat anteriorment.[16]

A partir del 2008, la indústria de l'automòbil, així com la generació d'energia personal i pública, són els mercats més grans de piles de combustible de membrana d'intercanvi de protons. Les piles de combustible PEM són populars en aplicacions d'automoció a causa de la seva temperatura de funcionament relativament baixa i la seva capacitat d'engegar-se ràpidament fins i tot en condicions de congelació. Al març de 2019 hi havia 6.558 vehicles de pila de combustible a la carretera als Estats Units, sent el Toyota Mirai el model més popular. Les piles de combustible PEM també s'han implementat amb èxit en altres formes de maquinària pesada, amb Ballard Power Systems subministrant carretons elevadors basats en la tecnologia. El principal repte a què s'enfronta la tecnologia PEM d'automoció és l'emmagatzematge segur i eficient de l'hidrogen, actualment un àmbit d'alta activitat investigadora.[17][18][19][20]

L'electròlisi de membrana d'electròlits de polímer és una tècnica mitjançant la qual s'utilitzen membranes d'intercanvi de protons per descompondre l'aigua en hidrogen i oxigen gasós.[21] La membrana d'intercanvi de protons permet la separació de l'hidrogen produït de l'oxigen, permetent que qualsevol producte s'exploti segons sigui necessari. Aquest procés s'ha utilitzat de manera diversa per generar combustible d'hidrogen i oxigen per als sistemes de suport vital en vaixells com els submarins dels EUA i de la Royal Navy.[22] Un exemple recent és la construcció d'una planta electrolitzadora PEM d'Air Liquide de 20 MW al Quebec.[23] Dispositius similars basats en PEM estan disponibles per a la producció industrial d'ozó.

Referències

  1. ↑ Zhiwei Yang; etal «Còpia arxivada». Prepr. Pap.-Am. Chem. Soc., Div. Fuel Chem., 49, 2, 2004, pàg. 599. Arxivat de l'original el 2017-04-28 [Consulta: 25 abril 2024].
  2. ↑ Gabriel Gache. «New Proton Exchange Membrane Developed – Nafion promises inexpensive fuel-cells» (en anglès). Softpedia, 17-12-2007. [Consulta: 18 juliol 2008].
  3. ↑ Nakhiah Goulbourne. «Research Topics for Materials and Processes for PEM Fuel Cells REU for 2008» (en anglès). Virginia Tech. Arxivat de l'original el 27 February 2009. [Consulta: 18 juliol 2008].
  4. ↑ Grubb, W. T.; Niedrach, L. W. (en anglès) Journal of the Electrochemical Society, 107, 2, 01-02-1960, pàg. 131. DOI: 10.1149/1.2427622. ISSN: 1945-7111.
  5. ↑ Young. Fuel Cell Systems (en anglès). 47. WASHINGTON, D.C.: AMERICAN CHEMICAL SOCIETY, 1969 (Advances in Chemistry). DOI 10.1021/ba-1965-0047. ISBN 978-0-8412-0048-7. 
  6. ↑ The American Historical Review, 4-1979. DOI: 10.1086/ahr/84.2.593. ISSN: 1937-5239.
  7. ↑ «Collecting the History of Proton Exchange Membrane Fuel Cells» (en anglès). americanhistory.si.edu. Smithsonian Institution. [Consulta: 19 abril 2021].
  8. ↑ Grot, Walther. «Fluorinated Ionomers - 2nd Edition» (en anglès). www.elsevier.com. [Consulta: 19 abril 2021].
  9. ↑ Hu, S.; Lozado-Hidalgo, M.; Wang, F.C.; Mishchenko, A.; Schedin, F.; 3 Nature, 516, 7530, 26-11-2014, pàg. 227–30. arXiv: 1410.8724. Bibcode: 2014Natur.516..227H. DOI: 10.1038/nature14015. PMID: 25470058.
  10. ↑ Karnik, Rohit N. Nature, 516, 7530, 26-11-2014, pàg. 173–174. Bibcode: 2014Natur.516..173K. DOI: 10.1038/nature14074. PMID: 25470064 [Consulta: lliure].
  11. ↑ Jiangshui Luo; Annemette H. Jensen; Neil R. Brooks; Jeroen Sniekers; Martin Knipper Energy & Environmental Science, 8, 4, 2015, pàg. 1276. DOI: 10.1039/C4EE02280G.
  12. ↑ Jiangshui Luo, Olaf Conrad; Ivo F. J. Vankelecom Journal of Materials Chemistry A, 1, 6, 2013, pàg. 2238. DOI: 10.1039/C2TA00713D.
  13. ↑ Jiangshui Luo; Jin Hu; Wolfgang Saak; Rüdiger Beckhaus; Gunther Wittstock Journal of Materials Chemistry, 21, 28, 2011, pàg. 10426–10436. DOI: 10.1039/C0JM04306K.
  14. ↑ «Collecting the History of Proton Exchange Membrane Fuel Cells» (en anglès). americanhistory.si.edu. Smithsonian Institution. [Consulta: 19 abril 2021].
  15. ↑ «Could This Hydrogen-Powered Drone Work?» (en anglès). Popular Science, 23-05-2015. [Consulta: 7 gener 2016].
  16. ↑ «Collecting the History of Proton Exchange Membrane Fuel Cells» (en anglès). americanhistory.si.edu. Smithsonian Institution. [Consulta: 19 abril 2021].
  17. ↑ Barbir, F.; Yazici, S. (en anglès) International Journal of Energy Research, 32, 5, 2008, pàg. 369–378. DOI: 10.1002/er.1371. ISSN: 1099-114X [Consulta: lliure].
  18. ↑ Li, Mengxiao; Bai, Yunfeng; Zhang, Caizhi; Song, Yuxi; Jiang, Shangfeng (en anglès) International Journal of Hydrogen Energy, 44, 21, 23-04-2019, pàg. 10677–10693. DOI: 10.1016/j.ijhydene.2019.02.208. ISSN: 0360-3199.
  19. ↑ «Fact of the Month March 2019: There Are More Than 6,500 Fuel Cell Vehicles On the Road in the U.S.» (en anglès). Energy.gov. [Consulta: 19 abril 2021].
  20. ↑ «Material Handling - Fuel Cell Solutions | Ballard Power» (en anglès). www.ballard.com. [Consulta: 19 abril 2021].
  21. ↑ Carmo, Marcelo; Fritz, David L.; Mergel, Jürgen; Stolten, Detlef (en anglès) International Journal of Hydrogen Energy, 38, 12, 22-04-2013, pàg. 4901–4934. DOI: 10.1016/j.ijhydene.2013.01.151. ISSN: 0360-3199.
  22. ↑ «Collecting the History of Proton Exchange Membrane Fuel Cells» (en anglès). americanhistory.si.edu. Smithsonian Institution. [Consulta: 19 abril 2021].
  23. ↑ «Air Liquide invests in the world's largest membrane-based electrolyzer to develop its carbon-free hydrogen production» (en anglès). www.newswire.ca. Air Liquide, 25-02-2019. [Consulta: 28 agost 2020].

Read other articles:

Brazil (film)

BrazilPoster film BrazilSutradaraTerry GilliamProduserArnon MilchanDitulis olehTerry Gilliam,Tom Stoppard,Charles McKeownPemeranRobert De Niro,Jonathan Pryce,Kim GreistDistributorUniversal PicturesTanggal rilis20 Februari 1985Durasi131 menitNegara Britania RayaAnggaran~US$15.000.000IMDbInformasi di IMDb Brazil adalah film tahun 1985 yang disutradarai oleh anggota Monty Python, Terry Gilliam. Skenarionya ditulis oleh Terry Gilliam, Charles McKeown dan Tom Stoppard. Dibintangi Jonathan Pry...

 

Begonia rajah

Begonia rajah Klasifikasi ilmiah Kerajaan: Plantae (tanpa takson): Angiospermae (tanpa takson): Eudicots Ordo: Cucurbitales Famili: Begoniaceae Genus: Begonia Spesies: Begonia rajah Nama binomial Begonia rajahRidl. Begonia rajah adalah spesies tumbuhan yang tergolong ke dalam famili Begoniaceae. Spesies ini juga merupakan bagian dari ordo Cucurbitales. Spesies Begonia rajah sendiri merupakan bagian dari genus Begonia.[1] Nama ilmiah dari spesies ini pertama kali diterbitkan oleh Ridl...

 

Josephine Baker

American-born French dancer, singer and actress (1906–1975) For other people named Josephine Baker, see Josephine Baker (disambiguation). Josephine BakerBaker in 1940BornFreda Josephine McDonald(1906-06-03)June 3, 1906St. Louis, Missouri, USDiedApril 12, 1975(1975-04-12) (aged 68)Paris, FranceResting placeMonaco CemeteryNationalityAmerican (renounced)French (1937–1975)Occupation(s)Vedette, singer, dancer, actress, civil rights activist, French Resistance agentYears active1921–...

Grand Prix Sepeda Motor musim 1949

Grand Prix Sepeda Motor F.I.M. musim 1949 Sebelum: - Sesudah: 1950 Grand Prix Sepeda Motor musim 1949 menjadi musim pertama F.I.M. menyelenggarakan balap motor. Pada musim ini terdapat 5 kelas; 500cc, 350cc, 250cc, 125cc and Sidecars 600cc. Itu dimulai pada 17 Juni, dengan Isle of Man TT dan diakhiri dengan Grand Prix Nations pada 4 September. Kalender Grand Prix Ronde Tanggal Grand Prix Sirkuit Pemenang 125cc Pemenang 250cc Pemenang 350cc Pemenang 500cc Pemenang Sidecars 600cc Laporan 1 17 ...

 

Синелобый амазон

Синелобый амазон Научная классификация Домен:ЭукариотыЦарство:ЖивотныеПодцарство:ЭуметазоиБез ранга:Двусторонне-симметричныеБез ранга:ВторичноротыеТип:ХордовыеПодтип:ПозвоночныеИнфратип:ЧелюстноротыеНадкласс:ЧетвероногиеКлада:АмниотыКлада:ЗавропсидыКласс:Пт�...

 

Человек прямоходящий

† Человек прямоходящий Научная классификация Домен:ЭукариотыЦарство:ЖивотныеПодцарство:ЭуметазоиБез ранга:Двусторонне-симметричныеБез ранга:ВторичноротыеТип:ХордовыеПодтип:ПозвоночныеИнфратип:ЧелюстноротыеНадкласс:ЧетвероногиеКлада:АмниотыКлада:Синапсиды�...

Puteaux

Commune in Île-de-France, FrancePuteauxCommuneRue Voltaire Coat of armsParis and inner ring départementsLocation of Puteaux PuteauxShow map of FrancePuteauxShow map of Île-de-France (region)Coordinates: 48°53′06″N 2°14′20″E / 48.885°N 2.2389°E / 48.885; 2.2389CountryFranceRegionÎle-de-FranceDepartmentHauts-de-SeineArrondissementNanterreCantonCourbevoie-2IntercommunalityGrand ParisGovernment • Mayor (2020–2026) Joëlle Ceccaldi-Raynaud&...

 

Pandemi Covid-19 di Honduras

Artikel ini mendokumentasikan suatu wabah penyakit terkini. Informasi mengenai hal itu dapat berubah dengan cepat jika informasi lebih lanjut tersedia; laporan berita dan sumber-sumber primer lainnya mungkin tidak bisa diandalkan. Pembaruan terakhir untuk artikel ini mungkin tidak mencerminkan informasi terkini mengenai wabah penyakit ini untuk semua bidang. Artikel ini memerlukan pemutakhiran informasi. Harap perbarui artikel dengan menambahkan informasi terbaru yang tersedia. Pembaruan tera...

 

Ignazio Silone

Ignazio Silone Secondino Tranquilli (Pescina, 1 Mei 1900 – Jenewa, 22 Agustus 1978), dikenal dengan nama samaran Ignazio Silone (/sɪˈloʊni/, bahasa Italia: [iɲˈɲattsjo siˈloːne]), merupakan pemimpin politik Italia, novelis, dan penulis cerita pendek, terkenal di dunia selama Perang Dunia II dengan novel anti fasisnya. Dia meraih Penghargaan Nobel Kesusastraan sepuluh kali,[1][2] Penghargaan Yerusalem pada 1969 dan Prix mondial Cino Del Duca pada 1971. Ignazio Si...

Badminton in the United States

United States sports game Badminton in the United StatesCountryUnited StatesGoverning bodyUSA Badminton[1]National team(s)United States Olympic teamFirst played1878 New York Badminton ClubRegistered playersUSA Badminton has over 4000 membersInternational competitions Summer OlympicsBWF World ChampionshipsPan American Badminton ChampionshipsU.S. Open Badminton Championships In the United States over 1,362,000 people frequently play badminton throughout the year, as of 2008.[2] ...

 

コルク

この記事は検証可能な参考文献や出典が全く示されていないか、不十分です。出典を追加して記事の信頼性向上にご協力ください。（このテンプレートの使い方）出典検索?: コルク – ニュース · 書籍 · スカラー · CiNii · J-STAGE · NDL · dlib.jp · ジャパンサーチ · TWL（2017年4月） コルクを打ち抜いて作った瓶の栓 コルク（木栓、�...

 

ولاية ماردة (فنزويلا)

  هذه المقالة عن ولاية ماردة الفنزويلية. لماردة (توضيح)، طالع ولاية ماردة (فنزويلا) (توضيح). ولاية ماردة  علم شعار   الإحداثيات 8°31′00″N 71°16′00″W / 8.5166666666667°N 71.266666666667°W / 8.5166666666667; -71.266666666667   [1] تاريخ التأسيس 1864  سبب التسمية ماردة  تقسيم إداري...

Renewable energy in Spain

Overview of renewable energy in Spain Renewable Energy in Spain[1]Renewable Energy (RE)RE as % of Gross Final Energy Consumption.21.2% (2020)NREAP target for above:20.0% (2020)Renewable ElectricityPercentage electricity generated by RE.46.7% (2021)RE generated / Total electricity generation.111,459/266,867 GWh Net(2014)[2]Record % RE covered electricity consumption70.4% (21/11/15 wind only)[3]Installed capacity (2020)Wind Power26.7 GWBio Energy1 GWSolar Powe...

 

RGB

Gambar penuh warna beserta komponen R, G, dan B-nya Pencampuran warna aditif didemonstrasikan dengan penutup CD yang digunakan sebagai pembagi berkas Model warna RGB adalah model warna tambahan[1] di mana warna primer cahaya merah, hijau dan biru ditambahkan bersama-sama dalam berbagai cara untuk mereproduksi susunan warna yang luas. Nama model berasal dari inisial dari tiga warna primer aditif, merah, hijau, dan biru.[2] Tujuan utama dari model warna RGB adalah untuk penginde...

 

希望聯盟

  此條目介紹的是馬來西亞的政黨。关于同名已解散的香港政黨，请见「希望聯盟 (香港政黨)」。 希望联盟Pakatan HarapanAlliance of Hope希望联盟标志马来语名称Pakatan Harapanڤاكتن هارڤن替代语言：Aliansi Harapan英语名称Alliance of Hope替代语言：Pakatan Harapan Plus华语名称希望联盟Xīwàng liánméng淡米尔名称நம்பிக்கை கூட்டணி简称PH、希盟主席安华共同主席旺�...

Державний комітет телебачення і радіомовлення України

Державний комітет телебачення і радіомовлення України (Держкомтелерадіо) Приміщення комітетуЗагальна інформаціяКраїна  УкраїнаДата створення 2003Керівне відомство Кабінет Міністрів УкраїниРічний бюджет 1 964 898 500 ₴[1]Голова Олег НаливайкоПідвідомчі ор...

 

中华人民共和国国家元首列表

  提示：此条目页的主题不是中華人民共和國最高領導人。 中华人民共和国 中华人民共和国政府与政治系列条目 执政党 中国共产党 党章、党旗党徽 主要负责人、领导核心 领导集体、民主集中制 意识形态、组织 以习近平同志为核心的党中央 两个维护、两个确立 全国代表大会 （二十大） 中央委员会 （二十届） 总书记：习近平 中央政治局 常务委员会 中央书记处 �...

 

Administrative divisions of Haiti

The administrative divisions of Haiti (Haitian Creole: divizyon administratif Ayiti) are concerned with the institutional and territorial organization of Haitian territory. There are many administrative divisions which may have political (local government), electoral (districts), or administrative (decentralized services of the state) objectives. Administrative divisions As of 22 July 2015[update], Haiti is divided into the following:[1][2] 4 regions being No...

الاتحاد العام لنساء العراق

الاتحاد العام لنساء العراق البلد العراق  تاريخ التأسيس 1969  تعديل مصدري - تعديل   طابع بريدي عراقي صدر بمناسبة المؤتمر الرابع لإتحاد نساء العراق عام 1972 الاتحاد العام لنساء العراق منظمة خاصة بالنساء العراقيات تضم في عضويتها النساء العراقيات بغض النظر عن انتماءاتهن ا...

 

Jay Cutler

American football player (born 1983) This article is about the American football player. For the bodybuilder, see Jay Cutler (bodybuilder). American football player Jay CutlerCutler with the Bears in 2015No. 6Position:QuarterbackPersonal informationBorn: (1983-04-29) April 29, 1983 (age 41)Santa Claus, Indiana, U.S.Height:6 ft 3 in (1.91 m)Weight:231 lb (105 kg)Career informationHigh school:Heritage Hills (Lincoln City, Indiana)College:Vanderbilt (2001–2005)NFL...