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 llevan a cabo estudios de las reacciones electroquímicas que tienen lugar en una pila de combustible. La reacción más limitante, la reducción de oxígeno en el cátodo, se estudia mediante voltametría cíclica y 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). Se ha propuesto un modelo analítico para un rde limitado por adsorción de reactivos y difusión superficial.

         

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

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, Gareth Hinds, ACS Appl. Mater. Interfaces, Vol. 9 (2017) 10626−10636. DOI: /10.1021/acsami.6b15581

Current at a Rotating Disk Electrode under Electrosorption and Surface Diffusion Limitation, Antonio M. Chaparro. Journal of The Electrochemical Society, 164 (11) E3522-E3530 (2017). DOI: 10.1149/2.0491711jes

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 tiene una experiencia de más de 15 años en la fabricación de electrodos por medio de electropulverización ("electrospray"), que es una técnica con gran potencial para preparar electrodos con mejores prestaciones, reducción de la cantidad de platino, alta actividad, y durabilidad. Los resultados han sido contrastados en distintos laboratorios, y por medio de colaboraciones con grupos de distinta procedencia (Suiza, UK, USA, Japón). 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. Las láminas muestran un carácter superhidrofóbico que les confiere buenas propiedades para el transporte de agua líquida. Como consecuencia, las láminas electropulverizadas mejoran el funcionamiento de la pila de combustible, en un 20-25% bajo condiciones estándar de operación. La electropulverización se lleva a cabo tanto sobre sustratos porosos (GDL, "gas diffusion layers"), como sobre membranas.

Recientemente se han preparado películas superhidrofóbicas de negro de carbón por electropulverización con el objeto de proteger superficies  metálicas de las pilas de combustible expuestas a medio líquido corrosivo, tales como contactos y placas bipolares. Los resultados publicados muestran una protección estable y total con películas con espesores desde 0.4 mg·cm-2 de carbón.

Una nueva línea de investigación se ha abierto recientemente con el objeto de explorar la aplicación de grafeno en pilas de combustible de tipo PEMFC. Esta línea se ha centrado en la utilización de grafeno para la protección de rejillas y superficies metálicas frente a la corrosión. 

                     

Las láminas preparadas por electropulverización (“electrospray”) tienen un carácter superhidrofóbico que les confiere especiales propiedades como lámina de catalizador del cátodo de una PEMFC. La lámina electropulverizada mejora la eficiencia y durabilidad de la pila porque es capaz de aumentar la retrodifusión de agua desde el cátodo hacia el ánodo, mejorando así la humidificación y conductividad del ánodo la membrana, incluso operando a altas densidades de corriente o sin humidificación externa. El siguiente vídeo explica el carácter superhidrofóbico de las láminas electropulverizadas.

                                                                                     Hydrophobic Electrode

También se utiliza para la fabricación de electrodos el depósito electroquímico de partículas de catalizador sobre sustratos porosos (GDL, ‘gas diffusion layers’). El electrodepósito permite preparar electrodos con diferente composición del catalizador, como Pt, PtCo, yPt-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, tanto sobre sustrato GDL como sobre membrana, que se utiliza como verificador de los resultados obtenidos por las técnicas mencionadas anteriormente.

Referencias

Anti-corrosion coating for metal surfaces based on superhydrophobic electrosprayed carbon layers, Julio J. Conde, Paloma Ferreira-Aparicio, Antonio M. chaparro, Applied Materials Today 13 (2018) 100-106. DOI: 10.1016/j.apmt.2018.08.001

Understanding the Behavior of Electrosprayed Carbon Black-Nafion Composite Layers, J. J. Conde, A.M. Chaparro, P. Ferreira-Aparicio, Fuel Cells  18 (5) (2018) 627-639. DOI: 10.1002/fuce.201700218

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. DOI: 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. DOI: 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.

Se dispone de una estación de ensayos para operación de monoceldas convencionales de pilas de combustible PEMFC (15 cm2 de área activa) 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. Recientemente se han llevado a cabo estudios de transporte de agua en monoceldas montadas con electrodos electropulverizados.

Además, una segunda estación de ensayos se ha montado para ensayo de pilas de combustible portátiles, con cámara climática para control de humedad y temperatura ambientales, y posibilidad de operación de hasta ocho pilas en paralelo.

En los estudios se aplican protocolos estándares de acuerdo a los desarrollados por la International Electrotechnical Commission (IEC/TC105). El grupo participa activamente en la elaboración de estos estándares y en la actualidad preside el grupo de normalización nacional de pilas de combustible (CTN 206/SC105).. 

           

Referencias

Single Cell Study of Water Transport in PEMFCs with Electrosprayed Catalyst Layers, M. A. Folgado, J. J. Conde, P. Ferreira-Aparicio, A.M. Chaparro, Fuel Cells  18 (5) (2018) 602-612. DOI: 10.1002/fuce.201700217

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 fabrican y ensayan para aplicaciones portatiles, demostrando autonomías de hasta 20W·h con 1g H2 almacenado en cartucho de hidruros metálicos. Son capaces de funcionar con aire ambiental en el cátodo, permitiendo un máximo de miniaturización del sistema de producción de electricidad, lo que es de interés en dispositivos tales como teléfonos móviles, ordenadores, y aplicaciones médicas.

Se ha obtenido una patente sobre la pila ‘air breathing’.

 

            

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. 

Proyecto E-LIG-E: Portable Energy LIGht and Efficient

Otros

El grupo ha establecido colaboraciones con otros centros, como:

  • Lawrence Berkeley National Laboratory (USA), Adam Weber
  • National Physical Laboratory (Londres, UK), Garet Hinds
  • Univ. Castilla-La Mancha (Spain), Justo Lobato
  • Paul Scherrer Institut (Switzerland), G. G. Scherer
  • CINVESTAV (México), O. Solorza-Feria
  • Univ. Daido (Japan), M. Hori

 

Asímismo mantiene contactos y colaboraciones con industrias interesadas en hidrógeno y pilas de combustible:

  • Schunk Ibérica (Spain)
  • Hidrogena (Spain)
  • Aramis (Spain)

 

Libros

Portable Hydrogen Energy Systems. Fuel Cells and Storage Fundamentals and Applications.

Editado por Paloma Ferreira-Aparicio y Antonio M. Chaparro.

Academic Press, 2019. DOI: 10.1016/C2016-0-04605-3

 

 

 

 

 

Patentes

 

Otras actividades

  • Miembro activo de la International Electrotechnical Commission (IEC) IEC/TC105, grupo de normalización de pilas de combustible. Coordinador nacional de los grupos de trabajo 1 (Terminología) y 11 (Ensayos en monocelda).
  • Presidencia del comité nacional de normalización en pilas de combustible (CTN206/SC105)
  • Miembro: International Electrochemical Society (IEC), Electrochemical Society (ECS) , Asociación Española de Pilas de Combustible (APPICE) .