Preparación y caracterización de catalizadores para pila de membrana de intercambio protónico

Abstract

[ES] En la actualidad, la creciente demanda de energía, el agotamiento de los combustibles fósiles y las consecuencias negativas de su uso hacen necesario el desarrollo de nuevas tecnologías que palíen la situación de un modo global, eficiente y limpio. La tecnología del hidrógeno puede ser una solución: obtener electricidad directamente a partir de la energía química que almacena esta sustancia, cuyo sistema de conversión principal son las celdas de combustible tipo PEM. Este trabajo se centra en la mejora del catalizador del cátodo de las celdas de combustible. Este componente de la celda es indispensable para su funcionamiento y uno de los mejores catalizadores de los que se dispone es el Platino, una metal noble y caro que hace que el desarrollo de esta tecnología sea muy caro y como consecuencia no se comercialice globalmente. Para optimizar el uso del Platino y mejorar la eficiencia de la celda de combustible se ha estudiado la densidad de potencia obtenida a partir de diferentes catalizadores. Cada catalizador ha sido preparado con diferentes ratios de Nafion/Carbono, Teflón/Carbono, diferentes contenidos de Platino en miligramos por centímetro cuadrado y también se ha variado el tipo de polvo de Platino en Carbono utilizado (Pt/C 30%, Pt/C 40% y Pt/C 50%). Además, se ha estudiado la influencia de calentar las muestras de catalizador después de su preparación y antes de ser testadas en la estación de testado de celdas de combustible con respecto a muestras con el mismo catalizador, pero sin ser sometidas a calor. Con todos estos resultados se pretende alcanzar un catalizador que maximice la potencia de la celda de combustible trabajando a las mismas condiciones de temperatura, presión y humedad. Asimismo, para conocer la calidad de los catalizadores obtenidos se ha tomado como referencia un catalizador comercial que alcanza una potencia de 1 vatio por centímetro cuadrado de catalizador para flujos de gas de alimentación hidrógeno-oxígeno, y 0,5 W/cm2 de potencia para un flujo de gases hidrógeno-aire. La superficie de los catalizadores ha sido estudiada mediante microscopio electrónico de barrido (SEM) para entender mejor el comportamiento de estos. Finalmente, ha sido seleccionado uno de los catalizadores que han mostrado mejores resultados para ser testado en una stack de monoceldas de pilas de combustible en condiciones de normales de temperatura y presión y sin sistema de humidificación.

[EN] Nowadays, the growing demand of energy, the depletion of fossil fuels and the negative consequences of their use make necessary the development of a new technology able to mitigate the situation. Hydrogen technology can be a solution because hydrogen can generate electricity directly from the its chemical energy. PEM fuel cells are the main convertor system. This master thesis focuses on the improvement of the catalyst cathode from fuel cells that is an essential component of fuel cells. One of the most often catalyst used is the Platinum, an expensive noble metal. It makes the development of fuel cell technologies expensive and as consequence, fuel cells are not commercialised globally. In order to optimise the use of Platinum and improve the efficiency of fuel cells, it has been studied the power density obtained from several catalysts. Every catalyst has been prepared with different ratios of Nafion/carbon, Teflon/carbon, amounts of Platinum (mg/cm2) and also it has been variated the type of catalyst powder used (Pt/C 30%, Pt/C 40% y Pt/C 50%). In addition, the influence of annealing the samples after the spraying has been studied in contrast to samples not annealed. Moreover, the power density used as reference from commercial catalyst to know the quality of catalysts prepared is 1 W/cm2 for a hydrogen-oxygen fuel cell, and 0.5 W/cm2 hydrogen-air fuel cell. The surface of catalysts has been analysed by Scanning Electron Microscopy (SEM) with the purpose to understand better the behaviour of these. Finally, it has been selected one of the catalyst that has showed better power density to be tested into a stack of single fuel cells under standard conditions of temperature and pressure and without humidify system.