Producción de membranas híbridas de SPEEK/polisilsesquioxano zirconizadas para su aplicación en pilas de combustible de membrana de intercambio de protones

Production of Zirconized SPEEK/Copolysilsesquioxane Hybrid Membranes for Application in Proton Exchange Membrane Fuel Cells

Se sabe que las membranas basadas en poli(éter-aril-cetona) sulfonado son materiales muy prometedores para las pilas de combustible de membrana de intercambio protónico (PEMFC). El poli(éter-éter-cetona) sulfonado (SPEEK), con altos grados de sulfonación (SD), presenta una alta conductividad protónica. Sin embargo, pierden funcionalidad y conductividad a altas temperaturas y baja humedad. Para mejorar el rendimiento de estos materiales, las membranas híbridas han sido objeto de considerable atención. En este trabajo, se prepararon membranas híbridas de SPEEK zirconizado/copolisilsesquioxano fosfonado (CF) por colada, a partir de SPEEK (60% < SD < 70%) y soluciones de cloruro de circonilo al 1, 5 ó 10 wt. (%). Las membranas se caracterizaron por espectroscopia infrarroja (FTIR), difractometría de rayos X (DRX), análisis termogravimétrico (TGA), calorimetría diferencial de barrido (DSC), conductividad de protones y microscopia electrónica de barrido (MEV). Los análisis de espectroscopia de energía dispersiva de rayos X (EDS) confirmaron la presencia de Zr en dominios esféricos a lo largo de la membrana, mientras que el DRX mostró que los compuestos de circonio precipitados tenían un carácter amorfo. Las medidas de impedancia electroquímica indicaron un aumento de la conductividad protónica con la adición de CF y ZrOCl₂.

INTRODUCCIÓN

Las pilas de combustible de membrana de intercambio protónico (PEMFC) se destacan como una de las tecnologías energéticas más prometedoras debido a sus ventajas significativas en eficiencia, densidad energética y uso de combustibles limpios. Estas pilas son adecuadas tanto para aplicaciones estacionarias como de transporte, con una eficiencia superior al 64% y una alta densidad energética. Existen dos clases principales de PEMFC: H₂/aire y H₂/O₂, así como las pilas de combustible de metanol directo (DMFC).

El Nafion® es la membrana de referencia actual para ambas clases de PEMFC, siendo un copolímero sulfonado perfluorado conocido por su estabilidad química y elevada conductividad protónica en condiciones de hidratación a temperaturas inferiores a 80 °C. Sin embargo, la aplicación de Nafion® se ve limitada debido a su pérdida de conductividad en condiciones de baja humedad relativa y a temperaturas elevadas. Por esta razón, se están desarrollando membranas poliméricas no perfluoradas más económicas, que mantienen una buena conductividad y estabilidad a mayores temperaturas y diferentes condiciones de humedad.