Electrospray deposition of superhydrophobic carbon-based layersapplication in proton exchange membrane fuel cells

Resumo

Las pilas de combustible son dispositivos electroquímicos que permiten una producción de energía eléctrica limpia, renovable y de forma segura. En particular, las pilas de combustible de membrana protónica emplean hidrógeno como combustible para producir energía eléctrica con una gran eficiencia de conversión sin producir gases de efecto invernadero. Sin embargo, la penetración de esta tecnología en el mercado está limitada por el coste y la durabilidad de sus componentes, especialmente de los catalizadores. El electrospray es un método de atomización de líquidos que se basa en la eyección de una disolución (o suspensión) bajo la influencia de un campo eléctrico, sin que ninguna otra fuerza participe en el proceso de atomización, adecuada para fabricar capas delgadas de morfología controlada a partir de suspensiones coloidales de catalizador (tintas catalíticas). El uso del electrospray en la fabricación de capas de catalizador para pilas de membrana protónica está despertando un interés creciente en las últimas décadas, sin embargo, aún existen muchas cuestiones sin resolver sobre su estructura y su efecto en la operación de las pilas. Las capas catalíticas producidas por electrospray presentan morfologías dendríticas de gran porosidad y superficies superhidrófobas, así como una mejor distribución del ionómero sobre la superficie del catalizador. Debido a estas características tan particulares, las pilas de combustible con electrodos fabricados con electrospray en el cátodo han mostrado una mejora de hasta un 20 % en la densidad de potencia máxima en comparación con otros métodos de depósito. El objetivo principal de la investigación recogida en esta tesis comprende el estudio del proceso de depósito de tintas catalíticas de negro de carbón mediante electrospray y sus aplicaciones en pilas de membrana polimérica. Para alcanzar el objetivo principal, se platean tres objetivos secundarios: el estudio del origen de las propiedades características de las láminas de electrospray utilizando tintas de negro de carbón y Nafion, el estudio de las propiedades de transferencia de materia y transporte de agua de capas catalíticas preparadas mediante electrospray en pilas de combustible de membrana polimérica y el uso de las capas superhidrófobas de composite de negro de carbón y Nafion como barrera protectora contra la corrosión en sustratos metálicos. Los resultados recogidos en esta tesis han desembocado en importantes avances en el conocimiento de los efectos de las capas de catalizador fabricadas mediante electrospray en pilas de combustible de membrana polimérica, así como en las interacciones que provoca entre el negro de carbón y el Nafion. El estudio fundamental de las capas de carbón (Capítulo 2) revela una fuerte interacción entre los grupos sulfónicos del Nafion y la superficie del negro de carbón, probablemente causada por la rápida evaporación del disolvente durante el proceso de ionización, favoreciendo así una mejor distribución del Nafion sobre la superficie del carbón y orientando las cadenas fluorocarbonadas del Nafion hacia el exterior de los agregados. Las capas de electrospray en el cátodo de una pila de membrana polimérica han resultado en un aumento de la retrodifusión de agua desde el cátodo al ánodo de las pilas, debido al carácter superhidrófobo de las capas y que resultan en cátodos con menor permeabilidad y saturación de agua (Capítulo 3). El estudio de las propiedades de transporte de las capas de catalizador ha mostrado una gran reducción de las limitaciones de trasporte de masa a bajas cargas de catalizador, así como una mejora en la capacidad de absorción de agua de los catalizadores. Adicionalmente, las capas superdrofóbicas de carbón fabricadas mediante electrospray, han demostrado ser resistentes a la corrosión en medio ácido (Capítulo 4), abriendo la posibilidad de ser utilizadas para proteger la superficie de componentes metálicos en el interior de las pilas de combustible.