Los investigadores e ingenieros que trabajan en pilas de combustible de tipo PEM suelen reconocer que los sistemas membrana electrodos (MEAs) son, desde el punto de vista electroquímico, el “corazón” de estos dispositivos. Sin embargo, siguiendo la analogía del cuerpo humano, son precisamente el resto de elementos (placas bipolares, terminales, colectores de corriente, etc.) y sistemas (sellado, refrigeración, suministro de gases, etc.) los que conforman el “esqueleto”, los “músculos” y los otros “órganos vitales” que garantizan el correcto funcionamiento de la pila.

Aprovechando el carácter tecnológico del LIFTEC, desde el año 2006 se ha intensificado el trabajo en la optimización de diferentes sistemas y procesos. Entre éstos se encuentran la arquitectura de la pila, el sistema de refrigeración, el de sellado y cierre, así como el de suministro de gases, los cuales tienen una marcada influencia en el rendimiento final de las pilas de tipo PEM de mediana potencia.

Optimización de los sistemas membrana-electrodos (MEAs)

Pese a no ser un objetivo básico del grupo, el LFTEC dispone de equipos robotizados de atomización que permiten depositar las tintas catalíticas sobre membrana o capa difusora con gran presión y repetitividad para la creación de los sistemas membrana-electrodo (MEA) de 3-capas de diversos tamaños. Adicionalmente, el centro cuenta también con la tecnología necesaria para la creación de las MEAs de 5-capas mediante prensado en caliente.

La experiencia y mejora en la tecnología aplicada en éste área han permitido optimizar los parámetros tanto de deposición como de prensado para conseguir, por un lado, capas catalíticas uniformes y, por otro, MEAs con baja resistencia óhmica.

MEA de 5-capas desarrollada íntegramente en el laboratorio con membrana de Nafion™ y tela carbonosa

 Análisis del espesor de la capa catalítica mediante microscopía SEM

Robot empleado para la deposición de la tinta catalítica sobre la membrana polimérica

Desarrollo de nuevos sistemas de sellado

Un sistema de sellado eficiente es fundamental para el correcto funcionamiento de las pilas de combustible PEM debido a las características físicas del hidrógeno. Se trata de la molécula más pequeña de la tabla periódica, y por tanto, la que mayor probabilidad de fuga presenta ante la existencia de una mínima vía de escape. Esto obliga a prestar especial atención al diseño de los sistemas de sellado y los materiales utilizados para ello.

Los sellos y juntas son los elementos encargados de evitar las fugas de gas al exterior de la pila o el cruce de gases de una cara a otra de una misma celda. Pueden ser elementos individuales o componentes integrados en el propio electrodo.

El diseño y la optimización del sistema de sellado depende en gran medida del tamaño de la pila. Aunque habitualmente se utilizan láminas de silicona, para MEAs grandes o pilas de gran número de celdas esta opción es inviable económicamente. Por eso, es necesario desarrollar nuevos sistemas de sellado adaptados a cada geometría y tamaño en concreto minimizando los costes. En este sentido el grupo de pilas del LIFTEC ha desarrollado un proceso de fabricación de sellos propio mediante la dosificación de un material sellante con un robot programable de forma que se puede realizar el sellado de los sistemas membrana-electrodo y su posterior integración a las placas bipolares como elementos únicos independientemente del tamaño de placa o la geometría de la MEA. En algunos casos, este proceso incluye la integración de juntas tóricas para los conductos de flujo.

Sistema de sellado mediante planchas de silicona típico de las pilas de baja potencia

Deposición de juntas líquidas empleando un robot dispensador

MEA integrada en la placa bipolar mediante el proceso de sellado desarrollado en el LFTEC para pilas de baja temperatura y media potencia

Desarrollo y optimización de sistemas de refrigeración más eficientes

El Grupo de Pilas del LIFTEC ha desarrollado, a partir de modelos sencillos de gestión térmica, sistemas de refrigeración integrados que permiten mantener los parámetros de temperatura de funcionamiento dentro de los rangos adecuados.

Las tecnologías desarrolladas dependen de la potencia requerida, existiendo prototipos tanto de cátodo cerrado como de cátodo abierto. En el caso de potencias inferiores a 100 W las pilas fabricadas cuentan con sistemas de cátodo cerrado con refrigeración pasiva mediante convección natural con el medio. Sin embargo, para potencias superiores (hasta 2 kW) se han desarrollado pilas de cátodo abierto refrigeradas por métodos pasivos (convección natural), o mediante sistemas activos por convección forzada asistida por ventiladores compactos integrados, o incluso prototipos para pilas de cátodo cerrado refrigeradas por agua.

Diferentes pilas de combustible con potencias desde pocos vatios hasta 2 kW desarrolladas en el LIFTEC con diferentes sistemas de refrigeración

Dentro de este apartado, la caracterización fluidodinámica del aire a través de los canales catódicos de la pila es fundamental para la selección y optimización del funcionamiento del sistema de refrigeración. Por eso, el Grupo de Pilas se ha centrado en la caracterización experimental de las pérdidas de carga que se producen al forzar el paso de aire por las geometrías catódicas y obtener correlaciones fiables para determinar los factores de fricción existentes en los canales del cátodo.

Efecto de la profundidad de los canales del cátodo sobre la pérdida de carga en función de la corriente generada en pilas de cátodo abierto

Para determinar de forma experimental la eficiencia de los diferentes sistemas de refrigeración se debe medir la temperatura superficial bien sea mediante el uso de termopares o bien empleando la termografía 2D. Para ello el grupo dispone de diferentes tipos de termopares especialmente calibrados según el rango de la temperatura a medir, así como de una cámara termográfica por infrarrojos, la cual permite medir la temperatura de una superficie con precisión sin entrar en contacto con ella. Esta última es una técnica especialmente útil para la obtención durante el funcionamiento de mapas de temperatura a lo largo de la superficie de la pila, lo que permite detectar fácilmente puntos calientes y evaluar no sólo el comportamiento de los sistemas de refrigeración sino también detectar posibles irregularidades en el funcionamiento.

En la figura se muestra una imagen de la deficiente distribución de temperaturas de una pila comercial y otra con una distribución homogénea de temperatura fabricada en el LIFTEC con un sistema de refrigeración optimizado. Los valores de la energía emitida por la pila caliente en las longitudes de onda del espectro infrarrojo se convierten en temperaturas y se muestran de acuerdo con una tabla de colores.

Mapa de la temperatura superficial de dos pilas de combustible de baja temperatura de 2 kW, una comercial Horizon-2000 (izquierda) y otra fabricada en el LIFTEC obtenido mediante termografía infrarroja

Optimización de los procesos de montaje y cierre de pilas de media potencia

El rango de pilas fabricadas hasta el momento en las instalaciones del LIFTEC está comprendido entre 0.5 W hasta 3 kW de potencia eléctrica nominal. La mayoría de estas pilas se han diseñado para emplearse en dispositivos móviles, por lo que la optimización de su peso final y tamaño es especialmente importante. La experiencia adquirida en el uso de materiales de bajo peso pero con gran resistencia mecánica ha posibilitado incrementar la densidad de potencia en las pilas fabricadas. Por otro lado, la optimización de los sistemas de refrigeración y su integración con la pila ha permitido obtener dispositivos finales compactos minimizando la utilización de equipos auxiliares externos.

El grupo dispone de la instrumentación necesaria para el montaje de pilas con gran número de celdas lo que permite mejorar paulatinamente los sistemas de ensamblaje final de los apilamientos de celdas y optimizar los diseños de las placas terminales.

Diferentes fases del montaje de pilas de potencia eléctrica entre 2-3 kW

Diseño optimizado de una placa terminal que permite un distribución homogénea de la fuerza de apriete minimización el peso final del stack

Evaluación y caracterización electroquímica de pilas

Para la evaluación y caracterización electroquímica de las pilas de combustibles fabricadas en el LIFTEC el grupo dispone de diferentes instalaciones experimentales y equipos de medida. Así, el banco de ensayos dual junto con los módulos auxiliares de cargas electrónicas y el potenciostato galvanostato permiten controlar y medir las condiciones de entrada de los reactantes (temperatura, presión, caudal, humedad), lo cual posibilita la caracterización electroquímica de pilas en un amplio rango de condiciones de operación.

Merece la pena resaltar que el banco de ensayos dual es un equipo único en España, donde pueden acondicionarse y obtener las curvas de funcionamiento (polarización) de pilas desde unos pocos vatios de potencia hasta de 3 kW. Para ello este equipo dispone de dos líneas paralelas para cada gas reactante (hidrógeno y oxígeno/aire) con los controladores másicos apropiados para el rango de caudales que se desee emplear según el tamaño de la pila.

La caracterización de los sistemas membrana-electrodos, así como el comportamiento electroquímico de las pilas fabricadas se realiza empleando técnicas de espectroscopía de impedancia compleja. Esta misma técnica se emplea para optimizar la fuerza de cierre de las pilas, minimizando la resistencia interna global del stack.

Curvas de polarización obtenidas para los dos stacks de 1.5 kW de potencia eléctrica fabricados para ser integrados dentro del sistema híbrido de potencia de un vehículo eléctrico multipropósito

Análisis de impedancia compleja de una MEA de alta temperatura

Optimización de la fuerza de cierre de un pequeño stack de alta temperatura formado por 5 celdas de 605 cm² de área activa mediante espectroscopía de impedancia compleja