Development of new high-performance conductive membranes based on polymerized ionic liquids for their use in fuel cells
- Autores: Mariana Díaz Vejo
- Directores de la Tesis: Inmaculada Ortiz Uribe (dir. tes.), Alfredo Ortiz Sainz de Aja (codir. tes.)
- Lectura: En la Universidad de Cantabria ( España ) en 2017
- Idioma: inglés
- Número de páginas: 140
- Títulos paralelos:
- Desarrollo de nuevas membranas conductoras de altas prestaciones basadas en líquidos iónicos polimerizados para su aplicación en pilas de combustible
- Tribunal Calificador de la Tesis: Isabel Marrucho (presid.), Eugenio Daniel Gorri Cirella (secret.), Rebeca Marcilla (voc.)
- Materias:
- Enlaces
- Tesis en acceso abierto en: UCrea
- Resumen
- español
Las pilas de combustible de intercambio protónico (PEMFCs) son una prometedora tecnología para la producción energética sostenible. Esta alternativa ofrece numerosas ventajas frente a las tecnologías convencionales tales como alta eficiencia energética, bajas emisiones de contaminantes, facilidad de instalación y rápido arranque. La parte fundamental de una PEMFC es el ensamblado membrana-electrodos (MEA), el cual está compuesto por una membrana intercambiadora de protones (PEM) situada entre dos electrodos. El ionómero perfluorado conocido como Nafion es la membrana más utilizada en los dispositivos PEMFC debido a su excelente estabilidad química, alta conductividad protónica y alta resistencia mecánica. Sin embargo, esta membrana altamente costosa es muy dependiente del contenido de agua para su correcto funcionamiento, lo cual implica el uso de controladores de humedad externos. La falta de agua en estas membranas perjudica los mecanismos de transporte protónico conduciendo a electrolitos con alta resistencia iónica y deficiente rendimiento en la celda de combustible. Por esta razón, el desarrollo de electrolitos con alta conductividad iónica capaces de funcionar bajo condiciones no humidificadas constituye un interesante reto científico. Numerosos esfuerzos han sido desarrollados con el objetivo de desarrollar membranas de alto rendimiento bajo condiciones anhidras. Particularmente, los líquidos iónicos (LIs) están adquiriendo interés como electrolitos para aplicaciones electroquímicas debido a sus excepcionales propiedades como despreciable volatilidad, bajo riesgo de inflamabilidad, alta estabilidad térmica y química y altas conductividades iónicas incluso en condiciones anhidras.
En vista de estas circunstancias, esta tesis se centra en el desarrollo y aplicación de membranas poliméricas innovadoras para PEMFCs sin humidificación externa empleando líquidos iónicos como un medio favorable de transporte protónico.
En primer lugar, en el capítulo 1 se presenta una revisión de la situación energética actual, enfatizando el uso de la tecnología de pilas de combustible como una alternativa ventajosa para la producción energética sostenible. El estado del arte en el campo de las membranas de intercambio protónico ha sido incluido para asentar las bases de la presente tesis doctoral.
Los métodos y equipos usados en este trabajo han sido descritos en el capítulo 2. Los fundamentos de las técnicas usadas en la caracterización de las membranas, así como la descripción del equipo experimental incluyendo el ensamblado de la membrana y los electrodos y el protocolo de funcionamiento de la pila de combustible están incluidos en esta sección.
Con el objetivo de mejorar el bajo rendimiento en condiciones anhidras reportado para las membranas comerciales perfluoradas, en el capítulo 3 se ha realizado una impregnación con los dos líquidos iónicos próticos 1-metil-3-(4-sulfobutil)-imidazolio bis(trifluorometilsulfonil)-imida ([HSO3-BMIm][Tf2N]) y 1-butil-3-(4-sulfobutil)-imidazolio trifluorometanosulfonato ([HSO3-BBIm][TfO]). El rendimiento en la pila de combustible y la resistencia iónica de estas membranas modificadas fue estudiado y comparado con el obtenido para las membranas sin modificar a diferentes condiciones de temperatura y humedad.
Habiendo demostrado la viabilidad de los líquidos iónicos próticos como transportadores de protones bajo condiciones no humidificadas, el siguiente paso consistió en el diseño de electrolitos de alto rendimiento evitando el uso de costosos polímeros perfluorados. Con este objetivo, en el capítulo 4 membranas basadas exclusivamente en líquidos iónicos próticos polimerizados fueron. La primera membrana está basada en dos líquidos iónicos polimerizables 1-(4-sulfobutil)-3-metilimidazolio 2-sulfoetilmetacrilato [HSO3-BMIm][SEM] y 1-(4-sulfobutil)-3-vinilimidazolio 2-sulfoetilmetacrilato [HSO3-BVIm][SEM]. En el segundo caso, membranas compuestas basadas en el líquido iónico polimerizado 1-(4-sulfobutil) 3-vinilimidazolio trifluorometanosulfonato [HSO3-BVIm][TfO] y su análogo líquido iónico no polimerizable 1-(4-sulfobutil)-3-metilimidazolio trifluorometanosulfonato [HSO3-BMIm][TfO] fueron sintetizadas a diferentes rangos composicionales. Los efectos del contenido de agua y de la temperatura en la conductividad iónica fueron analizados para ambas membranas. Además, en este capítulo se ha incluido el rendimiento en la pila de combustible de las membranas de anión triflato con diferente composición. Por otra parte, los estudios de la dinámica molecular del monómero basado en el anión triflato, su forma polimérica y la membrana basada en el anión sulfoetilmetacrilato incluidos en este capítulo permiten una comprensión de los mecanismos de transporte protónico de estos electrolitos.
Finalmente, en el capítulo 5 se han desarrollado membranas basadas en cristales plásticos próticos y nanofibras poliméricas. Similares a los LIs, los cristales plásticos (PCs) son prometedores electrolitos sólidos para pilas de combustible debido a su baja volatilidad y alta estabilidad térmica y química. Estos materiales presentan las ventajas de los líquidos iónicos (alta conductividad protónica sin humidificación) y los beneficios de los electrolitos sólidos. Con este objetivo, membranas compuestas basadas en el cristal plástico prótico N-N-dimetiletileno diamina triflato [DMEDAH][TFO] y nanofibras de poli(vinilideno fluorado) (PVDF) han sido desarrolladas para PEMFCs bajo condiciones sin humidificar. Con el objetivo de analizar su influencia en la conductividad iónica, comportamiento térmico y rendimiento en la celda de combustible, se ha realizado una adición de 5 mol% de ácido tríflico y de 5 mol% de base N-N-dimetiletileno diamina.
En general, este trabajo contribuye al progreso en el estado del arte de las PEMFCs y en la investigación de nuevos electrolitos para esta tecnología con ventajas significativas frente a las ampliamente usadas membranas perfluoradas. Dentro de este objetivo, nuevas membranas con líquidos iónicos próticos y cristales plásticos próticos han sido desarrolladas, caracterizadas y testeadas en dispositivos PEMFCs.
- English
This thesis focuses on the development of innovative polymeric membranes for proton exchange membrane fuel cells (PEMFCs) without external humidification using ionic liquids as favorable proton exchange medium. In order to improve the low performance under non-humidified conditions reported for commercial perfluorosulfonic membranes, an impregnation procedure with two different protic ionic liquids was carried out demonstrating the viability of protic ionic liquids as proton carriers under non-humidified conditions. The next step analyzed the design of high performance electrolytes under non-humidified conditions avoiding the use of expensive perfluorinated polymers. For this purpose, membranes based exclusively on polymerized protic ionic liquids were developed. Finally, membranes based on protic plastic crystal and electrospun nanofibers were developed. Overall, this work contributes to the progress of the state of the art of PEMFC and targets to the research of new electrolytes for this technology with improved properties over the most widely used perfluorosulfonic membranes.
- español
