Estudio de materiales para celdas de combustible. (2004)
En este proyecto se propone estudiar los mecanismos de transporte iónico y electrónico que controlan el funcionamiento de una celda de concentración de hidrógeno en estado sólido. Se tratará demejorar las propiedades eléctricas y mecánicas de materiales poliméricos interviniendo en su organización estructural que lo hagan aplicable como membrana polimérica electrolítica (PEM) en celdas de combustible (H2 / O2) a moderadas temperaturas. Se estudiará también los efectos de los materiales usados como cátodo y ánodo en las celdas construidas con las membranas producidas. Se pondrá especial atención a las implicaciones de las propiedades de intercambio de protones del material que constituye el ánodo en el funcionamiento de una celda. Por nuestra experiencia previa en electrolitos sólidos poliméricos partiremos con la preparación de membranas basadas en mezclas de polímeros con compuestos ácidos. Esto con el objeto de obtener mejores conductores protónicos a los actuales disponibles, con el propósito de que sirvan como separadores electrolíticos en una celda de concentración de hidrógeno, donde los protones transportados se consumen continuamente por su reacción con iones de oxígeno en el cátodo de la celda para producir agua. Como consecuencia de la diferencia de la actividad del hidrógeno en los caras opuestas de la PEM se espera desarrollar una fuerza electromotriz (fem) en la celda con altas densidades de corriente, comparables a otras fuentes de poder electroquímicas. Haremos nuestros primeros tanteos para producir la PEM con polialcohol de vinilo (PVOH) o poli etilenamina (PEI) mezclados con un ácido sulfónico polimérico como el sPSU Udelâ (polietersulfónico). Al respecto, es bien sabido que el ionómero perfluorinado Nafionâ, patentado por la compañía Dupont¿, ha sido aplicado casi exclusivamente como conductor protónico en celdas combustibles de membranas (PEFC) [1]. Debido al alto precio del Nafion hay una gran necesidades de materiales sustitutivos. Caracterizaremos electroquímicamente las membranas, determinando su número de transporte iónico, la estabilidad química al entrar en contacto con electrodos, estabilidad de las dimensiones mecánicas principalmente al formar membranas como separadores electrolíticos en celdas de combustible y su ventana de estabilidad electroquímica. Usaremos la técnica de la espectroscopía de impedancia compleja (IS) para separar los efectos de los electrodos de las propiedades eléctricas de la PEM, complementadas con medidas voltamétricas, de potencia termoeléctrica y fuerza electromotriz. En las diferentes celdas estudiaremos los procesos interfaciales entre el electrolito y el metal y otros materiales mixtos (conductores iónicos y metálicos) usados como cátodo y ánodo, pues se espera que haya en ellos gran actividad catalítica en las reacciones de óxido reducción para el H2 y O2, respectivamente. Esta región interfacial presenta gran interés, pues en dicha interfaz se establecen diferencias de potencial, a partir de las cuales se puede inferir potencial de electrodo, y así comprender el comportamiento de las celdas de combustible. La estabilidad térmica de las membranas se hará usando técnicas calorimétricas de alta resolución (diferencial de barrido-DSC de temperatura modulada- a.c. y MDSC). La determinación de las propiedades termomecánicas de las muestras se hará por medidas de elasticidad y dureza. Las modificaciones en la organización estructural de las membranas en la dirección de mejorar sus propiedades eléctricas, las seguiremos usando difracción de rayos-X o espectroscopia infrarroja y Raman . El problema a estudiar es sin duda muy estratégico para el desarrollo de nuevas tecnologías de almacenamiento de carga y energía, sensores, celdas electroquímicas, conductores mixtos para interfaces metal-electrolito y muchos otros elementos de la microiónica, y por lo tanto, está de acuerdo con las políticas nacionales e internacionales de investigación de nuevos materiales.