Performance and durability study of the Membrane-Electrode Assembly (MEA) for Proton-Exchange Membrane Fuel Cells (PEMFCs)

Abstract

[EN] This work tackles the need for more durable catalyst and electrolyte membrane materials in Proton-Exchange Membrane Fuel Cells (PEMFCs). On one hand, the ProtonExchange Membrane (PEM) constitutes the electrolyte and the main single source of ohmic loss of the cell, and its mechanical and chemical stability is critical for PEMFCs durability. On the other hand, the platinum (Pt) catalyst present in the electrodes is supported on carbon due to its high conductivity and surface area. Nevertheless, carbon corrosion is also one of the main issues that compromise both cell’s performance and durability. A literature review about the fuel cells role in a clean energy infrastructure, PEMFCs principle and main components, and the main durability issues related to the PEM and the catalyst layer (together with possible solutions) was carried out. Afterwards, in the first part of the experimental work, five perfluorosulfonic acid (PFSA) membranes were evaluated from both performance and durability perspectives in order to select the most suitable one. Electrochemical Impedance Spectroscopy (EIS) was used to measure their proton conductivity, hot water baths and Fenton’s reagent were used to evaluate mechanical and chemical stability, and Membrane-Electrode Assemblies (MEAs) were prepared to study membranes performance under more realistic conditions. In the second part, different catalyst supports made of highly porous carbon with a tin oxide (SnO2) overlayer were studied. For that, Pt was deposited through a colloidal method over three carbon supports, having two of them a determined SnO2 loading. The obtained catalyst powders were characterized through pyrolysis and X-Ray Diffraction (XRD). Then, both catalytic activity and support durability were studied with Rotating Disk Electrode (RDE) experiments. The Aquivion-based PFSA membrane showed increased performance but turned out to be less durable than the Nafion-based ones, which were more mechanically stable with an expanded polytetrafluoroethylene (ePTFE) reinforcement layer. Regarding the catalyst layer, the addition of SnO2 to the support improved its corrosion resistance in RDE experiments with ageing steps but affected the deposition of Pt, which showed worse catalytic activity as SnO2 loading increased.

[ES] Este trabajo aborda la necesidad de materiales más duraderos para el catalizador y la membrana electrolítica de las pilas de combustible de membrana de intercambio protónico (PEMFC). Por un lado, la membrana de intercambio protónico (PEM) constituye el electrolito y la principal fuente de pérdidas óhmicas de la pila, y su estabilidad mecánica y química es crítica para la durabilidad de las PEMFC. Por otro lado, el catalizador de platino (Pt) presente en los electrodos está soportado sobre carbono debido a su alta conductividad y área superficial. Sin embargo, la corrosión del carbono es también uno de los principales problemas que comprometen tanto el rendimiento como la durabilidad de la pila.

Se ha llevado a cabo una revisión bibliográfica sobre el papel de las pilas de combustible en una infraestructura energética limpia, el principio y los componentes principales de las pilas PEMFC y los principales problemas de durabilidad relacionados con las pilas PEM y la capa de catalizador (junto con posibles soluciones). Posteriormente, en la primera parte del trabajo experimental, se evaluaron cinco membranas de ácido perfluorosulfónico (PFSA) tanto desde el punto de vista del rendimiento como de la durabilidad, con el fin de seleccionar la más adecuada. Se utilizó la espectroscopia de impedancia electroquímica (EIS) para medir su conductividad protónica, se emplearon baños de agua caliente y el reactivo de Fenton para evaluar la estabilidad mecánica y química, y se prepararon conjuntos membrana-electrodo (MEA) para estudiar el rendimiento de las membranas en condiciones más realistas.

En la segunda parte, se estudiaron diferentes soportes catalíticos hechos de carbono altamente poroso con una capa superpuesta de óxido de estaño (SnO2). Para ello, se depositó Pt mediante un método coloidal sobre tres soportes de carbono, teniendo dos de ellos una carga determinada de SnO2. Los polvos catalizadores obtenidos se caracterizaron mediante pirólisis y difracción de rayos X (DRX). A continuación, se estudió tanto la actividad catalítica como la durabilidad del soporte mediante experimentos con electrodos de disco rotatorio (RDE).