Tesis

Una creciente demanda energética a nivel mundial, sumado al empobrecimiento de los recursos naturales, conllevan a que exista gran interés en la búsqueda de nuevas fuentes alternativas de energía. De tal manera, se ha propuesto que las celdas de combustible pueden ser una solución eficiente frente a estos requerimientos energéticos. Estos dispositivos electroquímicos novedosos pueden ser muy variables y versátiles, en cuanto a su potencia desde centrales eléctricas de gran potencia hasta dispositivos electrónicos portátiles. Dicha demanda ha generado la necesidad de tener mayor eficiencia y durabilidad para que las celdas de combustible sean económicamente viables y accesibles. En este contexto los carbones mesoporosos han sido propuesto como materiales alternativos para las celdas de combustible, en particular aquellas con electrolito polimérico (PEMFC), ya que se ha demostrado que son capaces de sustituir a los componentes de las PEMFC comercialmente disponibles debido a sus excelentes propiedades: altas superficies específicas y distribución de tamaño de poros controlables, buena conductividad eléctrica, estabilidad mecánica y ser químicamente inertes. El uso de tales materiales es beneficioso ya que permiten aumentar la eficiencia de los procesos de transporte de masa y carga que ocurren dentro de la celda. Estos materiales, en forma monolítica o en polvo, poseen características adecuadas para su uso como capas difusoras de gases y como soporte de catalizadores en celdas PEM, respectivamente. Esto se debe a que la estructura del carbón mesoporoso favorece el transporte de los reactivos y a la eliminación de los productos de las reacciones dentro de la celda, garantizando una buena utilización del catalizador que soporta; ya que este último presenta una mayor dispersión en su superficie y una mayor accesibilidad de los reactivos. Un método para producir tales carbones es la preparación de una resina de resorcinol-formaldehído (RF) con nanomoldes (blandos o duros) que garantizan la estabilidad de la estructura porosa durante el paso posterior de carbonización. En el presente trabajo de tesis, se propuso caracterizar varios carbones mesoporosos para su aplicación a celdas de combustible PEM alimentadas con hidrogeno y celdas con alimentación directa de metanol (DMFC). Para estudiar la factibilidad de dicho material se caracterizó la morfología del material: superficie especifica, distribución de tamaño de poro, rugosidad; se determinaron las propiedades eléctricas (resistencia del material y resistencia de contacto entre este con otros componentes de la celda); se analizaron las propiedades de mojabilidad, permeabilidad. Este carbón en forma de polvo se estudió como soporte de catalizadores (Pt para hidrogeno y PdNi2 en una DMFC) con pruebas en celda, las cuales son la etapa determinante para decidir sí un material es apto para cumplir su función. Con el fin de realizar estos ensayos en celda, otro objetivo de este trabajo ha sido de construir los sistemas periféricos que permiten ensamblar las celdas de combustible. Una parte importante del trabajo se dedicó a analizar la importancia del tamaño de poro y su distribución sobre los diversos procesos que ocurren dentro de una celda de combustible. Para mejorar el transporte de masa, se propuso estudiar dos variantes monolíticas: la primera con capilares microscópicos (obtenidos por molde duro) conectando ambas caras, la segunda con el mecanizado en su superficie de canales sirviendo a la alimentación y distribución homogénea del metanol y la eliminación del dióxido de carbono. Los resultados son muy prometedores ya que mostraron una menor limitación por transporte de masa cuando se usan los carbones mesoporosos como capa difusora o soporte de catalizadores (distribución de tamaños de poro favorable y propiedades de mojado adecuadas), buena conductividad eléctrica (que puede ser mejorada modificando las condiciones de carbonización o el catalizador de la síntesis) y baja resistencia de contacto (rugosidad baja) cuando se conforma la celda de combustible.