Membranas mejoradas para uso como electrolitos sólidos en celdas de combustible tipo PEM [recurso electrónico] / María Carolina Baas Centeno

Memoria de residencia profesional para optar al título de Ingeniera Bioquímica

Tesis (Lic.) .-- Instituto Tecnológico de Mérida, 2010.

Las membranas de intercambio de protones a veces llamadas membranas de electrolitos poliméricos (PEM por sus siglas en Ingles) emplean un polímero sólido como electrolito para separar el combustible del oxidante. Los primeros polímeros usados en este proceso eran extremadamente sensibles a la degradación oxidativa; sin embargo, a finales de los años 60 Dupont comercializo un polímero iónico denominado Nafion que ha demostrado una mejor estabilidad y se ha convertido en el estándar para su uso en este tipo de celdas. Sin embargo existen temas críticos para las PEMs entre ellos se desea que presenten una alta conductividad para protones, una baja conductividad electrónica, una baja permeabilidad para el oxidante y el combustible, una alta estabilidad electrolítica y a la oxidación, todo esto aunado a propiedades mecánicas adecuadas en seco o cuando están húmedas y un bajo coeficiente de transporte de agua. Finalmente, para lograr ampliar su uso se requiere que sean de bajo costo y se deben poder manipular para formar los electrodos. En celdas tipo PEM los materiales que se usan logran el transporte de protones con base a los grupos iónicos presentes en el polímero y la humedad, por lo que las propiedades mecánicas y la capacidad de absorber agua de la membrana son criticas. Se requieren membranas que puedan conducir protones conteniendo muy poca o sin agua, y que logren trabajar a temperaturas mayores a 120°C y con menos de 50 por ciento de humedad relativa para celdas protónicas. Para celdas de metanol es necesario obtener membranas que presenten bajas permeabilidades a metanol y agua, para lograr que el metanol no reaccione en el cátodo bajando la eficiencia de la celda. [1] El proyecto que se pretende realizar es el desarrollo de membranas que tengan las propiedades físicas y la resistencia en condiciones secas y húmedas necesarias y la ductilidad para fabricar electrodos, basados en materiales más resistentes a la temperatura y la humedad de trabajo pero con estructuras rígidas que les permitan mantener propiedades mecánicas lo suficientemente altas y la capacidad de conducir iones, los cuales a su vez deberán ser compatibles con los otros medios como son los catalizadores para ensamblar celdas. Se propone que estos materiales pueden ser obtenidos de polímeros de condensación modificados, los cuales se plantea obtener mediante la modificación de polímeros aromáticos por medio de la sulfonación del anillo aromático. Los polímeros aromáticos se pueden sulfonar fácilmente mediante su exposición a acido sulfúrico concentrado o fumante, soluciones de acido clorosulfónico o complejos de trioxido de azufre [2, 3]. En particular se plantea el uso de poliamidas aromáticas sulfonadas como posibles electrodos con alta rigidez y posibilidades de formar películas con diferentes grados de sulfonación. Para esto se plantea la sulfonación de dos aramidas con temperaturas de transición vitrea por encima de 200°C y solubles en solventes aproticos, poli(dibenzofenon isoftalamida), DBF/ISO y poli(hexafluroisopropiliden tereftalamida), HFA/ISO, cuyas propiedades ya han sido reportadas en la literatura. [4, 5]