Membrana a scambio protonico: verso celle a combustibile più efficienti

Una membrana a scambio protonico, nota anche come membrana polimerica a scambio protonico o PEM dall’inglese Proton Exchange Membrane, è un tipo di membrana utilizzata in diverse applicazioni, tra cui le celle a combustibile ad idrogeno la cui tecnologia fu realizzata agli inizi degli anni ’60 presso la General Electric grazie al lavoro di Thomas Grubb e Leonard Niedrach.

La PEM è realizzata generalmente con un polimero solido che consente il trasporto di protoni attraverso di essa. Questa membrana permette il passaggio selettivo dei protoni, mentre blocca il passaggio degli elettroni, consentendo così la separazione delle cariche elettriche e facilitando la produzione di corrente elettrica.

Per le applicazioni di celle a combustibile la membrana a scambio protonico è inserita tra l’anodo e il catodo. Durante la reazione elettrochimica, la semireazione di ossidazione all’anodo genera protoni ed elettroni; la semireazione di riduzione al catodo combina protoni ed elettroni con ossidanti per generare acqua.

membrana a scambio protonico 1 da Chimicamo
membrana a scambio protonico

Per completare la reazione elettrochimica, la membrana a scambio protonico svolge un ruolo fondamentale che conduce i protoni dall’anodo al catodo attraverso la membrana. La membrana a scambio protonico funge anche da separatore per separare i reagenti anodici e catodici nelle celle a combustibile.

Durante questo processo, gli elettroni generati all’anodo vengono convogliati attraverso un circuito esterno per fornire lavoro utile, come ad esempio alimentare un motore elettrico.
Le membrane a scambio protonico devono essere sottili, flessibili, resistenti all’acqua e chimicamente stabili per funzionare in modo efficace e duraturo.

Caratteristiche della membrana a scambio protonico

La membrana a scambio protonico è l’elemento centrale e il materiale chiave della cella a combustibile. La sua funzione è quella di consentire il passaggio al catodo solo agli ioni idrogeno che perdono elettroni dall’anodo durante la reazione, ma impedire il passaggio di elettroni, molecole di idrogeno e molecole d’acqua.

Quindi deve avere le seguenti caratteristiche:

Conducibilità protonica ovvero devono consentire il passaggio selettivo dei protoni attraverso di esse. Questa proprietà è fondamentale per il funzionamento delle celle a combustibile.

Resistenza alla temperatura ovvero devono essere in grado di operare a temperature relativamente elevate e quindi devono essere termicamente stabili e mantenere le loro proprietà alla temperatura di esercizio tipica che varia solitamente tra 60°C e 120°C. Questo intervallo di temperatura è comunemente noto come temperatura di funzionamento intermedia per le celle a combustibile a membrana a scambio protonico.

Resistenza chimica. Le PEM devono essere resistenti agli agenti chimici presenti nelle celle a combustibile, come acidi e basi senza degradarsi o perdere le loro proprietà. A seconda del tipo di cella a combustibile, infatti, possono essere utilizzati diversi acidi come elettroliti come acido fosforico, acido solforico o l’acido perfluorosolfonico.

Tra le basi utilizzate vi sono l’idrossido di potassio o l’idrossido di sodio e, tra gli agenti ossidanti, ossigeno e perossido di idrogeno. L’ambiente di funzionamento delle celle a combustibile è caratterizzato da un’alta umidità. L’acqua può essere presente sotto forma di vapore o condensarsi sulle superfici interne della cella che può influenzare la stabilità della membrana PEM

Buone proprietà meccaniche. Le proprietà meccaniche delle membrane a scambio protonico sono importanti per garantire l’integrità strutturale e la durata delle celle a combustibile. Alcune delle proprietà meccaniche rilevanti sono resistenza alla trazione essenziale per mantenere l’integrità strutturale della membrana durante l’uso.

Polimeri usati nella membrana a scambio protonico

Il materiale comunemente utilizzato per realizzare queste membrane è il Nafion. Oltre al Nafion, sono stati sviluppati anche altri polimeri a scambio protonico, utilizzando diversi materiali e approcci di sintesi.

Questi polimeri possono essere basati su acidi polimerici, polieteri solforici o altre strutture polimeriche funzionalizzate con gruppi acidi solfonici. Alcuni esempi di polimeri a scambio protonico alternativi includono il polisolfone, il polibenzimidazolo.

Nafion da Chimicamo
Nafion

Il Nafion è un polimero solido comunemente utilizzato nelle membrane a scambio protonico, Esso è un copolimero-fluoropolimero a base di tetrafluoroetilene solfonato. Questo polimero presenta una buona conduttività protonica e una notevole stabilità chimica e termica, rendendolo una scelta comune per le applicazioni delle celle a combustibile elettrochimiche.

Il Nafion è stato sviluppato e commercializzato dalla DuPont, ed è diventato uno dei materiali più utilizzati per le membrane a scambio protonico. Ha una struttura a reticolo con catene laterali ioniche contenenti gruppi acidi solfonici, che permettono il trasporto selettivo dei protoni attraverso la membrana.

polisolfoni da Chimicamo
polisolfoni

I polisolfoni sono una famiglia di polimeri termoplastici ad alte prestazioni. Questi polimeri sono noti per la loro tenacità, stabilità alle alte temperature sono chimicamente inerti, altamente biocompatibili

polibenzenimidazolo da Chimicamo
polibenzenimidazoli

I polibenzimidazoli sono una famiglia di polimeri sintetici ottenuti per polimerizzazione a stadi  così definiti perché contengono lungo la catena il gruppo benzimidazolico. Presentano eccellenti proprietà termiche, meccaniche e chimiche

La scelta del polimero dipende dalle specifiche applicazioni e dai requisiti di prestazione richiesti, come la conduttività protonica, la resistenza meccanica, la stabilità termica e la compatibilità con gli altri componenti del sistema delle celle a combustibile.

Usi della membrana a scambio protonico

Le PEM sono utilizzate in diverse applicazioni, soprattutto nel campo delle celle a combustibile, dove svolgono un ruolo chiave nel trasferimento di ioni di idrogeno e nell’isolamento elettrico tra l’anodo e il catodo.

Tuttavia trovano anche impiego in altre aree, come ad esempio negli elettrolizzatori ad acqua, dispositivi che utilizzano l’elettrolisi dell’acqua per convertire l’energia elettrica in idrogeno e ossigeno.
Gli elettrolizzatori ad acqua sono utilizzati per la produzione di idrogeno verde, che può essere impiegato come combustibile pulito e sostenibile

Le PEM sono utilizzate anche in sensori elettrochimici che rilevano e misurano specie chimiche specifiche in soluzioni. Le proprietà di conduzione ionica delle PEM le rendono adatte per ottenere sensori di pH, sensori di gas, biosensori e altri dispositivi di rilevamento chimico.

Inoltre le PEM possono essere utilizzate per la separazione selettiva dei gas, consentendo il passaggio selettivo di un determinato gas attraverso la membrana. Questa capacità può essere sfruttata in applicazioni come il recupero di idrogeno, la purificazione del gas e la separazione di gas in processi industriali.

Possono essere utilizzate come membrane a scambio ionico in vari processi di separazione e purificazione, come l’osmosi inversa, l’elettrodialisi e l’estrazione ionica.

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