Evaluación de fallas en MEAs comerciales Tion5-W para electrólisis PEM: Evidencia electroquímica, química y post mortem de contaminación metálica en el circuito hidráulico

Abstract

Este informe presenta el análisis de dos fallos ocurridos durante la operación de una celda de electrólisis PEM equipada con MEAs comerciales Tion5-W con catalizador anódico y catódico platinum black y carga 3mg/cm2. El sistema estudiado consiste en una celda de 25 cm² con placas de flujo de titanio, PTL de titanio y alimentación de agua ultrapura en recirculación por el lado anódico, operada a 60 °C y corriente constante. El protocolo experimental utilizado incluye activación electroquímica, curvas de polarización, espectroscopía de impedancia electroquímica, operación a corriente constante, análisis químico del agua de recirculación y caracterización física del ensamble. Sin embargo, durante la ejecución del protocolo se observaron fallas prematuras que obligaron a interrumpir los ensayos y analizar sus causas. En ambos casos se observó un deterioro progresivo del desempeño, manifestado por aumento del voltaje de celda y de la temperatura de operación, seguido finalmente por una caída abrupta del potencial, compatible con la ocurrencia de un cortocircuito interno. Los análisis electroquímicos confirmaron la degradación del sistema, mientras que los estudios post mortem por EDXRF sobre MEA, placas de flujo y PTL evidenciaron la presencia anómala de cobre y zinc, con mayor severidad en la segunda experiencia. Asimismo, el análisis químico del agua de recirculación confirmó la presencia de cobre y zinc luego de los eventos de falla. La composición elemental de fittings genéricos utilizados en el banco experimental mostró contenidos mayoritarios de cobre y zinc, junto con níquel, plomo y estaño, lo que permitió identificar estos componentes como una fuente probable de contaminación metálica. Los resultados permitieron concluir que la causa más probable de la contaminación fue la lixiviación de metales provenientes de fittings de latón presentes en el circuito hidráulico. La deposición posterior de estas especies metálicas sobre la MEA habría favorecido la generación de depósitos conductores (especialmente en regiones de condiciones reductoras), sobrecalentamientos localizados y finalmente cortocircuitos internos dando lugar a la falla de la celda. En función de ello, se definió el reemplazo de estos componentes por fittings Swagelok de acero inoxidable 316, a fin de eliminar la fuente de contaminación y mejorar la confiabilidad operativa del sistema.