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Celda de combustible de membrana de intercambio de protones (PEMFC)

1960
  • Willard Thomas Grubb
  • Leonard Niedrach
Celda de combustible de membrana de intercambio de protones en un entorno de laboratorio, que muestra la tecnología de conversión de energía.

(Imagen generada únicamente con fines ilustrativos)

Una membrana de intercambio de protones Pila de combustible (PEMFC) uses a solid polymer membrane, such as Nafion, as its electrolyte. This membrane selectively conducts protons ([latex]H^+[/latex]) from the anode to the cathode. PEMFCs operate at low temperatures (typically 50-100°C), enabling rapid start-up and a compact design. They require high-purity hydrogen as fuel to avoid poisoning the platinum-based catalizadores.

The heart of the PEMFC is the membrane electrode assembly (MEA), which consists of the proton-exchange membrane sandwiched between two catalyst-coated electrodes. At the anode, hydrogen gas is split into protons and electrons: [latex]H_2 \rightarrow 2H^+ + 2e^-[/latex]. The solid polymer membrane, which is an electrical insulator, allows only the protons to pass through to the cathode. The electrons are forced to travel through an external circuit, generating the electrical current. At the cathode, oxygen from the air, the protons from the membrane, and the electrons from the external circuit combine to form water: [latex]O_2 + 4H^+ + 4e^- \rightarrow 2H_2O[/latex].

A critical aspect of PEMFC operation is water management. The membrane must remain hydrated to maintain its proton conductivity, but excess water at the cathode (product water) can block the flow of oxygen to the catalizador sites, a phenomenon known as ‘flooding’. The low operating temperature makes PEMFCs susceptible to catalyst poisoning, particularly from carbon monoxide (CO) present in reformed hydrogen, which binds strongly to the platinum catalyst sites. This necessitates the use of very pure combustible de hidrógeno, aumentando los costos operativos.

UNESCO Nomenclature: 3305
– Tecnología energética

Tipo

Dispositivo físico

Ruptura

Sustancial

Uso

Uso generalizado

Precursores

  • invención de la pila de combustible by William Grove (1838)
  • Desarrollo de la primera membrana polimérica de intercambio iónico, Nafion, por Walther Grot en DuPont (finales de la década de 1960)
  • research into platinum’s catalytic properties

Aplicaciones

  • sistemas de propulsión para vehículos eléctricos de pila de combustible (FCEV) como el Toyota Mirai y Hyundai Nexo
  • Unidades de energía de respaldo para infraestructura crítica
  • generadores de energía portátiles para uso recreativo y militar
  • vehículos de manipulación de materiales como carretillas elevadoras
  • fuentes de energía para la nave espacial del Proyecto Gemini de la NASA

Patentes:

  • US2913511A (Willard T. Grubb, 1959)

Ideas para posibles innovaciones

  • Membranas autohumidificantes que retienen agua, simplificando el sistema de pila de combustible
  • Catalizadores sin platino que utilizan metales de transición o materiales basados ​​en grafeno
  • Pemfcs de alta temperatura (ht-pemfc) que pueden operar hasta 200 °C, mejorando la tolerancia al calor.
  • membranes with integrated reinforcement to improve mechanical durability and esperanza de vida
  • Pemfcs de metanol o etanol directos que utilizan combustibles líquidos
  • circuito cerrado water management systems that recycle product water for membrane hydration
  • Capas de difusión de gas impresas en 3D para optimizar el flujo de reactivos
  • Sistemas de diagnóstico basados ​​en inteligencia artificial para predecir fallas de membrana y degradación del catalizador
  • Pemfcs integrados con hidruros metálicos para el almacenamiento de hidrógeno en estado sólido
  • Placas bipolares fabricadas con materiales compuestos ligeros y resistentes a la corrosión
Relacionado con: pemfc, membrana de intercambio de protones, nafion, catalizador, platino, combustible de hidrógeno, conjunto de electrodos de membrana, baja temperatura, automoción, general electric.

Contexto histórico

Celda de combustible de membrana de intercambio de protones (PEMFC)

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1965-12-21
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1962-10-09
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1970

(Si la fecha es desconocida o no es relevante, por ejemplo "mecánica de fluidos", se proporciona una estimación redondeada de su aparición notable)

décimo año aniversario

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