{"id":98571,"date":"2018-03-11T10:19:25","date_gmt":"2018-03-11T10:19:25","guid":{"rendered":"https:\/\/www.deberes.net\/tesis\/sin-categoria\/celdas-de-combustible-de-membrana-polimerica-de-alta-temperatura-basadas-en-polibencimidazol-impregnado-con-acido-fosforico\/"},"modified":"2018-03-11T10:19:25","modified_gmt":"2018-03-11T10:19:25","slug":"celdas-de-combustible-de-membrana-polimerica-de-alta-temperatura-basadas-en-polibencimidazol-impregnado-con-acido-fosforico","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/www.deberes.net\/tesis\/procesos-quimicos\/celdas-de-combustible-de-membrana-polimerica-de-alta-temperatura-basadas-en-polibencimidazol-impregnado-con-acido-fosforico\/","title":{"rendered":"Celdas de combustible de membrana polim\u00e9rica de alta temperatura basadas en polibencimidazol impregnado con \u00e1cido fosf\u00f3rico"},"content":{"rendered":"<h2>Tesis doctoral de <strong> Jos\u00e9 Joaquin Linares Le\u00f3n <\/strong><\/h2>\n<p>Una celda de combustible es un reactor electroqu\u00edmico en el que la energ\u00eda qu\u00edmica de un combustible es transformada en energ\u00eda el\u00e9ctrica. El origen de esta tecnolog\u00eda se remonta al siglo xix, si bien no es hasta los a\u00f1os 60 del siglo xx cuando realmente se investiga a fondo en ella. Ese reciente desarrollo de las celdas de combustible se encuentra ligado a la creciente demanda de medios de producci\u00f3n de energ\u00eda m\u00e1s limpios y eficientes que los actuales. El previsible agotamiento de los combustibles f\u00f3siles en las pr\u00f3ximas d\u00e9cadas, junto con la creciente preocupaci\u00f3n medioambiental por los contaminantes que derivan de su combusti\u00f3n directa, han sido los verdaderos impulsores del desarrollo de medios de generaci\u00f3n de energ\u00eda alternativos, dentro de los cuales se pueden englobar a las celdas de combustible.               las celdas de combustible funcionan oxidando un combustible en el compartimento an\u00f3dico y reduciendo un comburente en el compartimento cat\u00f3dico. Entre ambos existe un electrolito que permite el tr\u00e1nsito de cargas i\u00f3nicas. Generalmente, el combustible que emplean es gas hidr\u00f3geno y el comburente es el ox\u00edgeno del aire, de forma que los \u00fanicos productos de reacci\u00f3n son el agua y el calor que se produce en la reacci\u00f3n               estas celdas suelen clasificarse en funci\u00f3n del electrolito que emplean. Dentro de esta clasificaci\u00f3n se encuentran las celdas de combustible de membrana polim\u00e9rica s\u00f3lida (conocidas por el acr\u00f3nimo pemfc, del ingl\u00e9s polymer electrolyte membrane fuel cells). Este tipo de celdas se emplean fundamentalmente en el campo de los autom\u00f3viles, como plantas de suministro de energ\u00eda a peque\u00f1a escala y, en los \u00faltimos a\u00f1os, como fuentes de energ\u00eda en aplicaciones de baja potencia (ordenadores port\u00e1tiles, tel\u00e9fonos m\u00f3viles, etc.).                actualmente, el material m\u00e1s utilizado como electrolito polim\u00e9rico es un membrana que se comercializa bajo el nombre de nafion, desarrollado por la compa\u00f1\u00eda e.I. Dupont de nemours &#038; co. Para que estos materiales puedan ser conductores i\u00f3nicos requieren encontrarse hidratados, de modo que la m\u00e1xima temperatura de operaci\u00f3n a presi\u00f3n atmosf\u00e9rica es de 90\u00c2\u00bac. Entre otras desventajas, operar por debajo de esa temperatura supone tener que emplear corrientes de combustible muy puras, ya que el catalizador es muy sensible a los venenos(co), y que las cin\u00e9ticas de reacci\u00f3n sean lentas, ya que las condiciones de reducci\u00f3n de ox\u00edgeno est\u00e1n muy alejadas de las \u00f3ptimas.               estas limitaciones pueden superarse mediante el empleo de materiales polim\u00e9ricos que puedan trabajar a m\u00e1s altas temperaturas. Uno de estos materiales es el que se emplea en esta investigaci\u00f3n, el polibencimidazol (pbi) impregnada con \u00e1cido fosf\u00f3rico, capaz de resistir temperaturas de hasta 200\u00c2\u00bac manteniendo valores de conductividad i\u00f3nica aceptables para su funcionamiento como electrolito en una celda de combustible. Hoescht celanese, la \u00fanica empresa que sintetizaba y vend\u00eda el pol\u00edmero bajo el nombre comercial de celazole,prohibi\u00f3, desde el a\u00f1o 2003, la venta de este pol\u00edmero para su empleo en estudios de celdas de combustible, al variar la estrategia comercial hacia la venta del ensamblaje completo.                      con estos antecedentes, esta tesis doctoral ha abarcado todos los elementos fundamentales en el desarrollo un sistema pemfc de alta temperatura basado en pbi impregnado con \u00e1cido fosf\u00f3rico. En primer lugar, se ha propuesto una ruta de s\u00edntesis de pbi novedosa, mejorada, sencilla y reproducible, que permite obtener un pol\u00edmero de alto peso molecular (alrededor de 400 kda), posibilitando la mecanizaci\u00f3n de membranas con buenas propiedades mec\u00e1nicas, resistencia t\u00e9rmica, y estabilidad qu\u00edmica frente al ataque de los radicales hidroxilos. Adem\u00e1s, estas propiedades permiten que las membranas se puedan impregnar con una mayor cantidad de \u00e1cido fosf\u00f3rico, lo que conduce a un rendimiento m\u00e1s elevado en la generaci\u00f3n de energ\u00eda el\u00e9ctrica cuando son utilizadas como electrolito polim\u00e9rico en una celda de combustible, como consecuencia de la mayor conductividad de las membranas (por encima de 0,05 s cm-1).               una vez establecido el proceso para la producci\u00f3n de membranas de pbi, la siguiente etapa ha sido adecuar la composici\u00f3n de los distintos constituyentes de los electrodos, desde el soporte carbonoso y la capa microporosa, que conforman la capa de difusi\u00f3n de gases, hasta la capa catal\u00edtica. En el caso del soporte carbonoso macroporoso, se ha estudiado la influencia del contenido en tefl\u00f3n sobre las propiedades f\u00edsicas (porosidad, permeabilidad, resistencia el\u00e9ctrica, nivel de hidrofobia y estructura superficial), y sobre el comportamiento en celda de electrodos preparados con soportes macroporosos con diferentes cargas de tefl\u00f3n. A partir de estos estudios de caracterizaci\u00f3n, se ha puesto de manifiesto que el mejor soporte carbonoso es aqu\u00e9l con un contenido en tefl\u00f3n del 10%. El uso de un soporte libre de tefl\u00f3n amenaza la integridad f\u00edsica de los electrodos durante el proceso de prensado en caliente para la producci\u00f3n de ensamblajes membrana-electrodo. Cargas superiores merman las propiedades de transporte de los electrodos, lo que conduce a un rendimiento inferior en celda de los ensamblajes.               la capa microporosa, formada por negro de carb\u00f3n pulverulento (vulcan xc-72r) y tefl\u00f3n como pol\u00edmero nexo de uni\u00f3n, ha demostrado poseer una influencia significativa sobre el rendimiento de la celda. Su presencia conlleva un incremento considerable del rendimiento, como consecuencia, principalmente, de la reducci\u00f3n de la cantidad de catalizador que se introduce dentro del soporte carbonoso, lejos de la interfase electrodo-membrana (donde se desarrolla la mayor parte de la reacci\u00f3n electroqu\u00edmica). Todo esto se traduce en un incremento de la actividad catal\u00edtica de los electrodos. Al igual que en el caso del soporte carbonoso, se ha estudiado la influencia que presenta la composici\u00f3n de la capa microporosa sobre el rendimiento de la celda, siguiendo una metodolog\u00eda similar. En primer lugar, se han evaluado las principales propiedades f\u00edsicas de las capas de difusi\u00f3n de gases (porosidad y permeabilidad con diferentes composiciones de la capa microporosa), para terminar con un amplio abanico de ensayos en celda, bajo diferentes estequiometr\u00edas, tanto del combustible, como del comburente. Todos los resultados conducen a que la capa microporosa que presenta las mejores propiedades f\u00edsicas, y el mejor rendimiento en celda, es aqu\u00e9lla con una composici\u00f3n de 2 mg cm-2 de negro de carb\u00f3n y un contenido en tefl\u00f3n del 10% en peso. Una carga superior de carb\u00f3n y\/o de tefl\u00f3n conduce a unos resultados inferiores en celda, como consecuencia de las mayores limitaciones de transporte que presenta la capa de difusi\u00f3n de gases. Una carga inferior de tefl\u00f3n es contraria a la integridad f\u00edsica de la capa microporosa, como consecuencia de la adici\u00f3n de una cantidad insuficiente de aglutinante polim\u00e9rico. Una carga inferior de carb\u00f3n conduce a una ca\u00edda del rendimiento de la celda, debido a la menor actividad catal\u00edtica de los electrodos, como consecuencia de la penetraci\u00f3n de parte de la capa catal\u00edtica dentro del soporte macroporoso.               la capa catal\u00edtica es la zona de los electrodos donde se desarrollan realmente las reacciones electroqu\u00edmicas. Por ello, su composici\u00f3n es fundamental a la hora de maximizar los rendimientos en celda. Sus componentes son dos: el catalizador, generalmente platino depositado sobre negro de carb\u00f3n, y una cierta cantidad de electrolito, que act\u00faa a la vez como conductor i\u00f3nico y como elemento aglutinante entre las part\u00edculas de catalizador. En esta tesis doctoral, se ha estudiado la influencia de la carga de platino utilizada en el catalizador, y de la relaci\u00f3n en peso c\/pbi (carga de pol\u00edmero), adicionada a la capa catal\u00edtica. Al igual que en los casos anteriores, en primer lugar, se ha llevado a cabo una caracterizaci\u00f3n f\u00edsica de los electrodos, evalu\u00e1ndose su porosidad y distribuci\u00f3n de tama\u00f1o de poro. Completada \u00e9sta, se llevan a cabo una serie de medidas en celda de combustible para evaluar el comportamiento electroqu\u00edmico de los electrodos con diferentes composiciones (porcentaje de platino en el catalizador y relaci\u00f3n en peso c\/pbi), que van desde la cuantificaci\u00f3n del \u00e1rea superficial electroqu\u00edmica, junto con la realizaci\u00f3n de espectros de impedancia, hasta los ensayos en celda de combustible. A partir de los resultados obtenidos, se puede concluir que la composici\u00f3n que mejor combina la m\u00e1xima actividad catal\u00edtica, con unas buenas caracter\u00edsticas de transporte corresponde con una carga de platino del 40% en el catalizador, y una relaci\u00f3n en peso c\/pbi de 20. Una carga superior de platino, o una relaci\u00f3n en peso c\/pbi m\u00e1s alta, conducen a unos resultados inferiores en celda como consecuencia de una menor actividad catal\u00edtica. Esto se debe a una peor distribuci\u00f3n del catalizador, y a una cantidad insuficiente de pol\u00edmero para permitir el tr\u00e1nsito de las cargas i\u00f3nicas que se generan en la reacci\u00f3n, respectivamente. Una carga inferior de platino, o una relaci\u00f3n en peso c\/pbi m\u00e1s baja, tambi\u00e9n merman los resultados en celda, como consecuencia de unas mayores limitaciones asociadas a la transferencia de materia: una capa catal\u00edtica demasiado gruesa, y una cantidad excesiva de pol\u00edmero alrededor de los centros activos del catalizador, respectivamente, son los responsable de este comportamiento.               la \u00faltima de las etapas desarrolladas en la presente tesis ha consistido el estudio del comportamiento de este tipo de celdas con diferentes combustibles. Estos han sido el hidr\u00f3geno, metanol y etanol. En todos los casos se ha estudiado la influencia de diferentes variables de operaci\u00f3n, tales como la temperatura, la concentraci\u00f3n o pureza del combustible alimentado a la celda, y la presi\u00f3n parcial de ox\u00edgeno (comburente). La temperatura muestra una influencia positiva en el rendimiento de la celda, como consecuencia del incremento de la conductividad y de la mejora en la cin\u00e9tica de las reacciones electroqu\u00edmicas. Tambi\u00e9n conduce a una mayor tolerancia de este tipo de celdas a la presencia de mon\u00f3xido de carbono en la corriente de hidr\u00f3geno, siendo posible, a 200\u00c2\u00bac, alimentar la celda con un 2% en volumen de co, sin que se produzca un descenso considerable en el rendimiento. La calidad del combustible  introducido tiene un impacto importante en los rendimientos. Una reducci\u00f3n en la presi\u00f3n parcial del mismo, como consecuencia de una mayor cantidad de vapor de agua, apenas resulta en una mejora de los rendimientos de la celda. Esto se debe a la acci\u00f3n de dos efectos contrapuestos, por una parte, el incremento en la conductividad del electrolito al incrementarse su nivel de humidificaci\u00f3n, y por otra parte, al descenso en la presi\u00f3n parcial del combustible, con lo que se intensifican las limitaciones relacionadas con la transferencia de materia. Adem\u00e1s, en el caso de los alcoholes, adquiere especial importancia el fen\u00f3meno de la permeaci\u00f3n del combustible hacia el c\u00e1todo. \u00e9ste se hace tanto m\u00e1s intenso cuanto mayor es la cantidad de combustible introducido en la celda, reduciendo la eficiencia del sistema.                la presi\u00f3n parcial de ox\u00edgeno mostr\u00f3 el efecto esperado, es decir, cuanto menor es este par\u00e1metro (uso de aire en lugar de ox\u00edgeno puro), menor es el rendimiento, ya que tanto las limitaciones de transporte, como los efectos de la permeaci\u00f3n del combustible se hacen m\u00e1s evidentes.               los ensayos de durabilidad de las celdas han demostrado que los rendimientos de las mismas son relativamente estables con el tiempo. No obstante, existe una cierta degradaci\u00f3n como consecuencia de la p\u00e9rdida de \u00e1cido fosf\u00f3rico del ensamblaje membrana-electrodo, as\u00ed como de la sinterizaci\u00f3n del catalizador seg\u00fan transcurren estos experimentos, especialmente en las mediciones llevadas a cabo para el hidr\u00f3geno. En el caso de los alcoholes, tambi\u00e9n se han llevado a cabo ensayos de caracter\u00edsticas similares, si bien han tenido una menor duraci\u00f3n. No obstante, los resultados mostrados han sido prometedores, y alientan para que se contin\u00fae trabajando en esta l\u00ednea.<\/p>\n<p>&nbsp;<\/p>\n<h3>Datos acad\u00e9micos de la tesis doctoral \u00ab<strong>Celdas de combustible de membrana polim\u00e9rica de alta temperatura basadas en polibencimidazol impregnado con \u00e1cido fosf\u00f3rico<\/strong>\u00ab<\/h3>\n<ul>\n<li><strong>T\u00edtulo de la tesis:<\/strong>\u00a0 Celdas de combustible de membrana polim\u00e9rica de alta temperatura basadas en polibencimidazol impregnado con \u00e1cido fosf\u00f3rico <\/li>\n<li><strong>Autor:<\/strong>\u00a0 Jos\u00e9 Joaquin Linares Le\u00f3n <\/li>\n<li><strong>Universidad:<\/strong>\u00a0 Castilla-la mancha<\/li>\n<li><strong>Fecha de lectura de la tesis:<\/strong>\u00a0 14\/01\/2010<\/li>\n<\/ul>\n<p>&nbsp;<\/p>\n<h3>Direcci\u00f3n y tribunal<\/h3>\n<ul>\n<li><strong>Director de la tesis<\/strong>\n<ul>\n<li>Manuel Andr\u00e9s Rodrigo Rodrigo<\/li>\n<\/ul>\n<\/li>\n<li><strong>Tribunal<\/strong>\n<ul>\n<li>Presidente del tribunal: Antonio De lucas Martinez <\/li>\n<li>Manuel Montes ponce de le\u00f3n (vocal)<\/li>\n<li>loreto Daza bertrand (vocal)<\/li>\n<li>aurora Santos lopez (vocal)<\/li>\n<\/ul>\n<\/li>\n<\/ul>\n<p>&nbsp;<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"<p>Tesis doctoral de Jos\u00e9 Joaquin Linares Le\u00f3n Una celda de combustible es un reactor electroqu\u00edmico en el que la energ\u00eda 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