Electrospray deposition of superhydrophobic carbon-based layers: application in proton exchange membrane fuel cells

Abstract

Fuel cells are electrochemical devices that allow the production of clean, safe and renewable electrical energy. Facing the uncertainty of the upcoming end of the oil era, fuel cells are highly regarded as strong candidates for future portable, transportation and stationary applications. In particular, proton exchange membrane (PEM) fuel cells use hydrogen fuel to produce energy with high efficiency and no greenhouse gasses emission. However, a widespread market deployment is limited by the cost and durability of the components, especially the catalyst layers that requires platinum. To overcome these problems, among other approaches, the use of more efficient methods to prepare PEM fuel cell catalyst layers is studied. Electrospray is a method of liquid atomization based on the ejection of a solution or suspension under the influence of a strong electric field, without any additional physical force playing a role in the atomization process. It is a suitable technique to fabricate thin films of controlled morphology from colloidal suspensions of catalyst particles ('catalytic inks'), leading to particle monodispersity and homogeneous distribution on the substrate. Film morphology and properties strongly depend on particles disposition and stacking upon arrival to the substrate, so electrospray deposition allows the production of films of excellent quality, reducing the number of voids, flaws and cracks, and ensuring a homogenous thickness throughout the surface of the films. Electrospray is also very appropriate for depositing expensive materials, like platinum-based catalysts, because it allows high deposition efficiency of the target material, with minimal losses compared with regular ink-based methods...

Las pilas de combustible son dispositivos electroquímicos que permiten una producción de energía eléctrica limpia, renovable y de forma segura. La incertidumbre que provoca el inminente fin de la era del petróleo, hace que las pilas de combustible sean consideradas como firmes candidatas para ser utilizadas en aplicaciones portátiles, estacionarias o de transporte. En particular, las pilas de combustible de membrana protónica emplean hidrógeno como combustible para producir energía eléctrica con una gran eficiencia de conversión sin producir gases de efecto invernadero. Sin embargo, la penetración de esta tecnología en el mercado está limitada por el coste y la durabilidad de sus componentes, especialmente de los catalizadores, dado que se fabrican utilizando platino. Actualmente, para superar estas limitaciones, la investigación en pilas de combustible se centra, entre otras soluciones, en el uso de métodos más eficientes para la preparación de capas de catalizador. El electrospray es un método de atomización de líquidos que se basa en la eyección de una disolución (o suspensión) bajo la influencia de un campo eléctrico, sin que ninguna otra fuerza participe en el proceso de atomización, siendo adecuada para fabricar capas delgadas de morfología controlada a partir de suspensiones coloidales de catalizador. Las propiedades y la morfología de las capas dependen fundamentalmente de la disposición de las partículas y de su ordenamiento al llegar al sustrato, por lo que el electrospray permite la fabricación de láminas de gran calidad, espesor homogéneo y bajo número de defectos. Además, es una técnica especialmente apropiada para materiales de alto coste ya que el proceso de depósito tiene una alta eficiencia, con pérdidas mínimas de material en comparación otros métodos...