Una mayor durabilidad con una alta densidad de potencia reduce el coste total de propiedad
El desarrollo de la tecnología de pilas de combustible de hidrógeno fue un gran paso hacia un futuro energético más limpio y descarbonizado. Para garantizar que las pilas de combustible sigan siendo una solución energética viable, su alta densidad de potencia debe combinarse con una durabilidad a largo plazo para reducir su coste total de propiedad.
Durante más de 15 años, Donaldson ha trabajado con empresas líderes mundiales del sector para comercializar membranas de intercambio de protones reforzadas con politetrafluoroetileno expandido (ePTFE) de alta ingeniería. Ese trabajo ha dado lugar a membranas delgadas, eficaces y duraderas que ofrecen una baja resistencia para una densidad de corriente óptima.
Tenemos un profundo conocimiento de cómo las propiedades del ePTFE -como el grosor, el módulo, la resistencia última y la anisotropía- afectan a la durabilidad a largo plazo de las pilas de combustible. Esa experiencia nos permite ofrecer productos ePTFE optimizados para PEM compuesta reforzada con ePTFE en pilas de combustible, una alternativa mejorada a las membranas de pilas de combustible PEM no reforzadas.
Cómo funciona una pila de combustible
Figura 1: Pila de combustible genérica
El esquema de la figura 1 muestra una pila de combustible genérica. El hidrógeno y el aire entran en el ánodo y el cátodo por separado y se difunden en la capa catalizadora (electrodo), donde se produce una reacción electroquímica para generar corriente. Normalmente se coloca una capa porosa (capa de difusión de gas) entre el electrodo y el canal de flujo para distribuir uniformemente los reactivos.
La ecuación anterior muestra las reacciones electroquímicas básicas de la membrana de intercambio de protones (PEMFC). Durante el funcionamiento de la pila de combustible, el ánodo facilita la conversión del combustible (como el hidrógeno) en electrones y protones. El protón generado atraviesa la capa de ionómero de la membrana, mientras que los electrones se ven obligados a fluir a través de un circuito externo. Finalmente, protones, electrones y oxígeno reaccionan en el cátodo para formar agua.
Membrana recubierta de catalizador (CCM)
Figura 2: Esquema de un MCP
Una membrana recubierta de catalizador (MCP) es un componente crucial de la PEMFC. Una MCP se compone de un ánodo, un cátodo y una capa de ionómero de membrana electrolítica polimérica (por ejemplo, ácido sulfónico perfluorado), que sirve de electrolito. El ánodo y el cátodo comprenden capas catalizadoras apropiadas y están unidas en forma de capa al PEM. Las reacciones electroquímicas durante el funcionamiento de la pila de combustible tienen lugar en la MCP.
Membrana electrolítica de polímero (PEM)
Figura 3: Esquema de una PEM
Las principales funciones del PEM en las pilas de combustible son separar el gas del ánodo y del cátodo, transportar protones, aislar los electrones y proporcionar soporte mecánico a las capas anódica y catódica.
Por qué es importante el refuerzo PEM
Durante el funcionamiento de la pila de combustible, el PEM se hincha al absorber agua cuando la humedad relativa es alta y se encoge al perder agua cuando la humedad relativa es baja. Este ciclo repetido de hinchazón/contracción provoca una gran tensión mecánica en el PEM y el consiguiente fallo mecánico.
Figura 4: Espina dorsal de ePTFE para MEA
La durabilidad y longevidad del PEM pueden mejorarse significativamente con un refuerzo de ePTFE. Durante el ciclo de hinchamiento/encogimiento, la gran resistencia mecánica y la inercia química del ePTFE crean una "fuerza de retención" que puede contrarrestar la fuerza de hinchamiento/encogimiento generada. Por lo tanto, las membranas reforzadas con ePTFE muestran una durabilidad mecánica significativamente mejor que las membranas densas (no reforzadas).
De hecho, los objetivos de durabilidad del DOE de EE.UU. de 8.000 horas para vehículos ligeros y 30.00 horas para vehículos pesados no pueden alcanzarse sin una membrana PEM de ingeniería con refuerzo de ePTFE.
Además, las membranas de ePTFE, más finas y eficientes, pueden proporcionar este refuerzo crucial al tiempo que ayudan a mantener una alta densidad de corriente, lo que permite colocar menos células en una pila, reduciendo el peso total. Pueden hacerlo sin comprometer la resistencia, el rendimiento o la generación de energía.
La aplicación debe determinar la estructura específica del ePTFE
La mayoría de las membranas de intercambio protónico deben diseñarse con precisión para cada aplicación específica. Por ejemplo, los requisitos para las pilas de combustible estacionarias frente a los vehículos ligeros y los vehículos pesados son muy diferentes. Por lo tanto, el acceso a una amplia gama de estructuras de ePTFE utilizadas como refuerzo para la membrana PEM permite a los fabricantes de equipos originales especificar tanto el refuerzo de ePTFE necesario como la química para optimizar el rendimiento de la pila de combustible.
Para satisfacer la amplia variedad de necesidades de los fabricantes de equipos originales, Donaldson ha desarrollado diferentes generaciones de membranas para diversas aplicaciones. Nuestra oferta de productos proporciona soluciones de diseño para cada una de estas aplicaciones únicas, como se muestra a continuación.
La membrana adecuada marca la diferencia
La amplia cartera de membranas de ePTFE Tetratex™ patentadas de Donaldson ha evolucionado durante décadas de investigación y desarrollo, sin dejar de cumplir los estrictos requisitos de rendimiento de la industria, a la vez que satisface las solicitudes de los fabricantes de equipos de originales de un tamaño de celda reducido y de un costo total de propiedad más bajo. Tetratex es fabricado y distribuido exclusivamente por Donaldson, haciendo hincapié en la fabricación de alta calidad y el servicio al cliente para ayudar a garantizar un suministro constante y una entrega puntual.
Al ofrecer múltiples opciones de ePTFE para cumplir con una variedad de especificaciones y aplicaciones, Donaldson proporciona a los fabricantes de equipos originales y proveedores de primer y segundo nivel:
- Membranas delgadas que cumplen con los requisitos de una alta densidad de corriente, manteniendo la durabilidad mecánica de la celda
- Peso y tamaño de celda reducidos
- Durabilidad mecánica superior y alta resistencia para una larga vida útil
- Rendimiento consistente y fiable
- Flexibilidad a la hora de especificar la membrana de ePTFE independientemente del recubrimiento, lo que permite a los fabricantes de equipos originales elegir la solución de recubrimiento/membrana óptima, en lugar de una solución predeterminada (no optimizada)
