Pilas de Combustible de Baja Temperatura

Actividades del Grupo de Pilas de Combustible de Baja Temperatura

El grupo de Pilas de Combustible de Baja Temperatura trabaja en aspectos relacionados con las pilas de combustible basadas en electrolito polimérico. Está compuesto por tres investigadores doctores, dos doctorandos, dos técnicos, y un número variable de personal en formación postgraduados, y visitantes. Las actividades que lleva a cabo comprenden estudios básicos sobre reacciones electroquímicas y materiales, fabricación de componentes, ensamblaje y ensayo de pilas de combustible y desarrollo de aplicaciones con pila de combustible. Una breve explicación sigue a continuación. Para más información (contactar).

Estudios Fundamentales de Materiales y Reacciones Electroquímicas para la Conversión de Energía

Se han llevado a cabo estudios de reacciones electroquímicas involucradas en la conversión de energía en una pila de combustible. La reacción limitante para la eficiencia de las pilas de combustible de baja temperatura es la reducción de oxígeno en el cátodo. Esta reacción se estudia bajo condiciones controladas de transporte de masa con técnicas como la voltametría cíclica y el electrodo rotatorio de disco (rde). Se han llevado a cabo estudios con rde sobre discos con partículas catalizadoras soportadas, incluyendo nanopartículas de platino sobre negro de carbón (Pt/C) y partículas preparadas por electrodepósito sobre carbono vítreo (Pt, PtCo and Pt-WO3). 

         

Dentro de este apartado se llevan a cabo estudios fundamentales sobre procesos relacionados con las reacciones electroquímicas, tales como la difusión superficial y la adsorción de reactivos, así como procesos de degradación de electrodos. Las reacciones que dan lugar a la corrosión de electrodos se estudian con técnicas como la espectroscopía de impedancias y la espectrometría de masas con membrana.

Referencias

Influence of the cathode catalyst layer thickness on the behaviour of an air breathing PEM fuel cell, Paloma Ferreira-Aparicio, Antonio M. Chaparro, Advances in Energy Research, Vol. 2, No. 2 (2014) 73-84.

Analysis of the Steady State and Transient Currents for a Rotating Disk Electrode under Surface Diffusion Limitation, Antonio M. Chaparro, Journal of The Electrochemical Society, 161 (8) E3078-E3085 (2014).

Physico-chemical study of the degradation of membrane-electrode assemblies in a proton exchange membrane fuel cell stack. P. Ferreira-Aparicio, B.Gallardo-López, A.M.Chaparro, L.Daza, J. Power Sources 196 (2011) 4242-4250.

Study of spillover effects with the rotating disk electrode. A.M. Chaparro, Electrochim. Acta 58 (2011) 691-698.

Anode degradation effects in PEMFC stacks by localized fuel starvation. P. Ferreira-Aparicio, A.M. Chaparro, B. Gallardo, M.A. Folgado, L. Daza, ECS Transactions 26 (1) (2010) 257-265.

Microstructure of electrospray deposited catalyst layers for PEMFC electrodes. A.M.Chaparro, M.A.Folgado, P.Ferreira-Aparicio, B.Gallardo, A.J.Martín, L.Daza, ECS Transactions 26 (1) (2010) 197-205.

Theoretical analysis of the limiting diffusion current at a particulate rotating disk electrode. A.M. Chaparro, A.J. Martín, L. Daza, ECS Transactions 25 (23) (2010) 125-133.

New Insights into Proton Surface Mobility Processes in PEMFC Catalysts Using Isotopic Exchange Methods. P. Ferreira-Aparicio, Appl. Mater. Interfaces 1 (9) (2009) 1946-1957.

High surface area graphite as alternative support for proton exchange membrane fuel cell catalysts. P. Ferreira-Aparicio, M.A. Folgado, L. Daza, J. Power Sources 192 (2009) 57-62.

PEMFC catalyst synthesis and characterization: relevance of structural and chemical factors on surface diffusion processes. P. Ferreira Aparicio, Electrochem. Solid State Lett. 12 (3) (2009) B38-B42.

Rotating disk electrode analysis of oxygen reduction at platinum particles under limiting diffusion conditions. A.J. Martín, A.M. Chaparro, M.A. Folgado, J. Rubio, L. Daza, Electrochim. Acta 54 (2009) 2209-2217.

Enhanced rate of surface diffusion processes in highly dispersed PEMFC catalysts on surface functionalized carbons: its relationship with the catalyst structure. P. Ferreira-Aparicio, ECS Transactions 13 (28) (2008) 41-55.

Evaluation of adsorption properties of platinum catalysts for proton exchange membrane fuel cells: establishing criteria for the standardization of active area measurements. P. Ferreira-Aparicio, Chem. Mater. 19 (2007) 6030-6040.

Study of electrochemical instabilities of PEMFC electrodes in aqueous solution by means of membrane inlet mass spectrometry. A.M. Chaparro, N. Mueller, C. Atienza, L. Daza, J. Electroanal. Chem. 591 (2006) 69-73.

Electrochemical characterisation of Pt/C suspensions for the reduction of oxygen. R. Benítez, A.M. Chaparro, L. Daza, J. Power Sources 151 (2005) 2-10.
 

Fabricación de Electrodos y otros Componentes

El grupo trabaja en dos técnicas para fabricación de electrodos, como son la electropulverización ("electrospray") y el depósito electroquímico. Ambas técnicas son de interés por su potencial para preparar electrodos con mejores prestaciones, incluyendo menos cantidad de platino, alta actividad, y durabilidad.

Sobre electropulverización, el grupo mantiene una actividad pionera a nivel mundial con resultados contrastados en distintos laboratorios. Esta técnica se basa en el depósito de suspensiones de catalizador y ionómero (Nafion) bajo influencia de un campo eléctrico intenso. Las interacciones electrostáticas entre las partículas de catalizador y cadenas de ionómero, y con el substrato, dan lugar a una morfología particular de las láminas de catalizador, con meso-macro porosidad y alta superficie electroquímica. Como consecuencia, las láminas electropulverizadas mejoran el funcionamiento de la pila de combustible. La electropulverización se lleva a cabo tanto sobre sustratos porosos (GDL, "gas diffusion layers"), como sobre membranas.

                     

El depósito electroquímico de partículas de catalizador sobre sustratos porosos (GDL, `gas diffusion layers') es una segunda técnica estudiada para la fabricación de electrodos. Los electrodos han sido preparados con diferente composición del catalizador, como Pt, PtCo, y  Pt-WO3. Las reacciones de electrodepósito son estudiadas a nivel fundamental mediante la balanza electroquímica de cristal de cuarzo (EQCM), con objeto de determinar condiciones óptimas para la fabricación de los electrodos sobre GDLs, normalmente basados en tela de carbón y papel de carbón. La célula diseñada para este tipo de preparación ha sido objeto de una patente nacional.

                               

El grupo también dispone de una técnica convencional de preparación de electrodos, como es la aerografía, que se utiliza como verificador de los resultados obtenidos por las técnicas mencionadas anteriormente.

Referencias

Degradation Study by Start-Up/Shut-Down Cycling of Superhydrophobic Electrosprayed Catalyst Layers Using a Localized Reference Electrode Technique. Paloma Ferreira-Aparicio, Antonio M. Chaparro, M. Antonia Folgado, Julio J. Conde, Edward Brightman, and Gareth Hinds. ACS Appl. Mater. Interfaces 9 (12) (2017) 10626-10636. http://dx.doi.org/10.1021/acsami.6b15581.

Study of superhydrophobic electrosprayed catalyst layers using a localized reference electrode technique. A.M. Chaparro , P. Ferreira-Aparicio , M.A. Folgado , E. Brightman , G. Hinds. J. Power Sources 325 (2016) 609-619. http://dx.doi.org/10.1016/j.jpowsour.2016.06.077.

Catalyst layers for proton exchange membrane fuel cells prepared by electrospray deposition on Nafion membrane. A.M. Chaparro, P. Ferreira-Aparicio, M.A. Folgado, A.J. Martín, L. Daza, J. Power Sources 196 (2011) 4200-4208.

Properties of catalyst layers for PEMFC electrodes prepared by electrospray deposition. A.M. Chaparro, M. A. Folgado, P. Ferreira-Aparicio, A.J. Martín, I. Alonso-Álvarez,  L. Daza, J. Electrochem. Soc. 157 (7) (2010) B993-B999.

EQCM study of the electrodeposition of Pt-WO3 and its catalytic activity towards the ORR. A.J. Martín, A.M. Chaparro, L.Daza, ECS Transactions 33 (1) (2010) 309-320.

Pt-Co electrodeposited electrodes: surface distribution and depth profile. A.J. Martín, A.M. Chaparro, C. Guillén, M.A. Folgado, L. Daza, ECS Transactions 25 (1) (2009) 2039-2047.

PEMFC electrode preparation by electrospray: Optimization of catalyst load and ionomer content. A.M. Chaparro, B. Gallardo, M.A. Folgado, A.J. Martín, L. Daza, Catal. Today 143 (2009) 237-241.

Técnicas avanzadas para la disminución del platino en pilas de combustible de membrana polimérica (PEMFC). I. Cendoya, O. Miguel, P. Ferreira Aparicio, Energética, Julio/Agosto 2008.

Electrodeposition of Platinum on Carbon Black for Fuel Cell Application. A.J. Martín, A. M. Chaparro, M. A. Folgado, B. Gallardo, L. Daza, ECS Transactions 13 (10) (2008) 13-18.

Electrochemical quartz crystal microbalance study of the electrodeposition of Co, Pt and Pt-Co alloy. A.J. Martín, A.M. Chaparro, L. Daza, J. Power Sources 169 (2007) 65-70.

PEMFC electrode preparation: Influence of the solvent composition and evaporation rate on the catalytic layer microstructure. R. Fernández, P. Ferreira-Aparicio, L. Daza, J. Power Sources 151 (2005) 18-24.
 

Montaje y Ensayo de Pilas de Combustible

Además de electrodos, se fabrican otros componentes para las pilas como son las placas de distribución de gases, placas finales, contactos y juntas. Todos ellos son utilizados para el montaje de pilas y su ensayo bajo condiciones normalizadas. Estudios de presión de cierre se llevan a cabo para el montaje de las pilas. 

Se dispone de dos estaciones de ensayo para operación de pilas de combustible PEMFC en continuo, bajo control de parámetros de la celda (corriente, temperatura y presión), y de los gases de alimentación (caudal, composición, temperatura, humidificación). Se llevan a cabo estudios sobre el rendimiento de las pilas de combustible mediante curvas de polarización (I vs. V), medidas de área electroquímica activa (métodos HUPD y adsorción de CO), impedancias, y estudios de durabilidad. Se dispone de una cámara climatizada para ensayo de celdas con control de temperatura y humedad ambiental.  

En los estudios se aplican protocolos estándares de acuerdo a los desarrollados por la International Electrotechnical Commission (IEC/TC105)

           

Referencias

An optical and single cell study of the assembly of a PEMFC with dry and expanded Nafion, M.A. Folgado, P. Ferreira-Aparicio, A.M. Chaparro, Int. J. Hydrogen Energy 41 (2016) 505-515. http://dx.doi.org/10.1016/j.ijhydene.2015.10.120.

Study of the Constrained Expansion of Nafion within the Hardware of a PEMFC, M.A. Folgado, P. Ferreira-Aparicio, A.M. Chaparro, Electrochemical Society Transactions, 64 (3) 729-738 (2014).

Influence of the gas diffusion cathode structure on the performance of an air-breathing proton exchange membrane fuel cell. P. Ferreira-Aparicio, A.M. Chaparro, Int. J. Hydrogen Energy 39 (2014) 3997-4004.

Single cell study of electrodeposited cathodic electrodes based on Pt-WO3 for polymer electrolyte fuel cells. A.J. Martin, A.M. Chaparro, L. Daza,  J. Power Sources 196 (2011) 4187-4192.

Testing of catalyst coated membranes for PEMFC, prepared by electrospray deposition. A. M. Chaparro, I. Alonso-Álvarez, P. Ferreira-Aparicio, M. A. Folgado, A. J. Martín, L. Daza, ECS Transactions 33 (1) (2010) 267-273.

Characterization and single cell testing of Pt/C electrodes prepared by electrodeposition. A.J. Martín, A.M. Chaparro, B. Gallardo, M.A. Folgado, L. Daza,  J. Power Sources 192 (2009) 14-20.

Comparative analysis of the electroactive area of Pt/C PEMFC electrodes in liquid and solid polymer contact by underpotential hydrogen adsorption/desorption. A.M. Chaparro, A.J. Martín, M.A. Folgado, B. Gallardo, L. Daza, Int. J. Hydrogen Energy 34 (2009) 4838-4846.

Study of membrane electrode assemblies for PEMFC, with cathodes prepared by the electrospray method. A.M. Chaparro, R. Benítez, L. Gubler, G.G. Scherer, L. Daza, J. Power Sources 169 (2007) 77-84.

Aplicaciones de Pilas Combustibles

Celdas de combustible y pequeñas pilas han sido diseñadas para aplicaciones portátiles que funcionan con hidrógeno. Pilas de tipo "air breathing" se han fabricado y ensayado en aplicaciones portátiles, demostrando autonomías de hasta 20W·h con 1g H2 almacenado en cartucho de hidruros metálicos. Dichas pilas son capaces de funcionar con aire ambiental en el cátodo, lo que permite un máximo de miniaturización de la aplicación. Este tipo de desarrollo es de interés en dispositivos tales como teléfonos móviles, ordenadores, y aplicaciones  médicas.

 

            

Disponemos de las herramientas necesarias para el diseño y fabricación de pequeños componentes (placas, juntas, contactos). Se ha preparado una patente de un modelo de pila de combustible incluyendo el desarrollo de un nuevo ánodo capaz de operar ininterrumpidamente en modo cerrado (sin purga periódica), óptimo para la utilización completa de hidrógeno (100%) sin requerimiento de sistemas auxiliares.

 

Referencias

Novel Dead-Ended Anode Design For Self-Regulating Humidification In An Air-Breathing H2-PEM Fuel Cell, P. Ferreira-Aparicio, A.M. Chaparro, Electrochemical Society Transactions, 64 (3) 945-950 (2014).

Influence of the cathode architecture in the frequency response of self-breathing proton exchange membrane fuel cells, P. Ferreira-Aparicio, A.M. Chaparro, Journal of Power Sources 272 (2014) 79¿89.

A portable system powered with hydrogen and one single air-breathing PEM fuel cell. J. Fernández-Moreno, G. Guelbenzu, A.J. Martín, M.A. Folgado, P. Ferreira-Aparicio, A.M. Chaparro, Appl. Energy 109 (2013) 60-66.

Data results and operational experience with a solar hydrogen system. A.M. Chaparro, J. Soler, M.J. Escudero, E.M.L. de Ceballos, U. Wittstadt, L. Daza,  J. Power Sources 144 (2005) 165-169.

Testing an isolated system powered by solar energy and PEM fuel cell with hydrogen generation. A.M. Chaparro, J. Soler, M.J. Escudero, L. Daza,  Fuel Cells Bulletin, Nov. 2003. 

Otros

Colaboraciones con otros grupos

  • Gareth Hinds, Edward Brightman (NPL, UK).
  • Justo Lobato (Univ. Castilla-La Mancha, Spain)
  • G. G. Scherer (Paul Scherrer Institut, Switzerland)
  • O. Solorza-Feria (CINVESTAV, México)
  • M. Hori (Univ. Daido, Japan)

 

Colaboraciones con la industria

  • Schunk Ibérica
  • Hidrogena

 

Patentes

 

Otras actividades

  • Participación en tareas de Normalización en Pilas de Combustible: International Electrotechnical Commission (IEC) IEC/TC105  (AENOR CTN206/SC105) grupo de normalización de pilas de combustible. Coordinación nacional de los grupos de trabajo 1 (Terminología) y 11 (Ensayos en monocelda).
  • Socios de: International Electrochemical Society (IEC), Electrochemical Society (ECS) y Asociación Española de Pilas de Combustible (APPICE)