Capa de difusión de gas: características y modelado
La capa de difusión de gas (GDL) en una pila de combustible puede constar de una sola capa o de una capa doble (capa de difusión de gas y una capa microporosa). El GDL es una parte esencial de la pila de combustible porque hace que los gases se dispersen para maximizar la superficie de contacto con la capa de catalizador. Los espesores de varios materiales de difusión de gas varían entre 0,0017 y 0,04 cm con una porosidad entre 70% y 80%. Los materiales GDL más utilizados son la tela carbón y el papel carbón. Las propiedades de algunos de los papeles carbón disponibles comercialmente se muestran en la Tabla 1.
Tabla 1. Propiedades de los papeles carbón disponibles comercialmente utilizados como sustratos para electrodos de pilas de combustible PEM.
El GDL gestiona el agua en las pilas de combustible PEM permitiendo que solo una cierta cantidad de agua entre en contacto con el conjunto de membrana/electrodo para mantener la membrana humidificada. Además, el GDL promueve la salida de agua líquida del cátodo para ayudar a eliminar inundaciones. Esta capa suele ser resistente a la humedad para garantizar que los poros de la tela o el papel de carbón no se obstruyan con agua. En la Figura 1 se muestra una ilustración gráfica del GDL.
Figura 1. Ilustración pictórica de la GDL.
Existen muchos tratamientos para la capa de difusión de gas. La mayoría de estos tratamientos se utilizan para hacer que los medios de difusión sean hidrofóbicos para evitar inundaciones en la pila de combustible. Tanto el ánodo como el medio de difusión catódico, o ambos, pueden tratarse con PTFE. El material de difusión se sumerge en una solución de 5% a 30% de PTFE, seguido de secado y sinterización. La interfaz con la capa de catalizador puede equiparse con un recubrimiento o una capa microporosa para garantizar mejores contactos eléctricos y un transporte eficiente del agua dentro y fuera de la capa de difusión. Esta capa está formada por partículas de carbono o grafito mezcladas con un aglutinante de PTFE. Los poros resultantes miden entre 0,1 y 0,5 micrones (um) y, por tanto, son mucho más pequeños que el tamaño de los poros de los papeles de fibra de carbono.
Creando un modelo de medios porosos
Los modelos matemáticos son beneficiosos para determinar y predecir fenómenos que no se pueden ver ni medir; este es el caso de los procesos internos que ocurren en una pila de combustible. Modelar el GDL es esencial para determinar la cantidad de reactivo que llega a la capa de catalizador, lo que a su vez determina la cantidad de electricidad que produce la pila de combustible. Hay muchos modelos diferentes en la literatura para medios porosos, pero los dos métodos principales son: (1) el movimiento de moléculas de gas a través de los poros del medio; y (2) la interacción de las moléculas de gas y sólido. Si el GDL tiene poros grandes, es intuitivo pensar en la fracción de medio disponible para el transporte de gas. Por el contrario, cuando el tamaño de los poros en el sustrato es muy fino y el tamaño de las moléculas de gas y las partículas sólidas se vuelve comparable, se utiliza la segunda opción. Estas dos opciones comprenden las dos escuelas de modelado de medios porosos. Introduciremos algunas de las características del GDL y los conceptos necesarios para comprender los conceptos básicos del modelado de medios porosos.
Estructura de poros
Un medio poroso generalmente consta de una matriz sólida (material) y un espacio poroso. La descripción de la estructura microscópica del espacio poroso es difícil debido a su complejidad geométrica. Generalmente existe una extensa red de poros que se comunican a través de constricciones relativamente estrechas. Dado que la forma de un poro real es bastante irregular, en estudios teóricos comúnmente se realizan aproximaciones de la forma de los poros con geometrías regulares, como una esfera, para estudiar el efecto de la estructura de los poros. Una vez especificada la geometría de la estructura de los poros, se pueden calcular las áreas superficiales y los volúmenes de los poros.
Fases fluidas y gaseosas
Se supone que el espacio vacío en el medio poroso está lleno con las diferentes fases. La fracción de volumen ocupada por cada fase es la saturación de esa fase. Por tanto, la fracción total de todas las fases es uno. En muchos modelos se suelen considerar dos fases: la fase líquida (l) y la gaseosa (g). Cada fase contiene uno o más componentes. Las características esenciales utilizadas para describir las fases son la fracción de masa, la densidad y la viscosidad de cada constituyente. Por ejemplo, en la pila de combustible suele haber hidrógeno, oxígeno y agua. Al realizar estos cálculos también se debe incluir la cantidad de nitrógeno (en el aire) y la humedad de los gases.
Proceso de capilar
Otra propiedad valiosa es la presión capilar, que se define como la diferencia de presión entre dos fluidos inmiscibles en equilibrio dentro del espacio poroso, que se puede expresar como:
donde PG es la presión de la fase gaseosa y PL es la presión de la fase líquida. La presión capilar involucra la tensión interfacial y la curvatura interfacial. El método para calcular la presión capilar depende de la forma de los poros. En un tubo capilar cilíndrico, la presión capilar viene dada por:
donde
es la tensión interfacial, r es el radio del tubo y
es el ángulo de contacto. Sin embargo, la geometría de los poros en medios porosos es más complicada y a menudo se utilizan caminos tortuosos para representar canales en medios porosos.
Permeabilidad
La permeabilidad (absoluta) es una medida de la capacidad del material para transmitir un solo fluido en condiciones específicas. Dado que la orientación y la interconexión de los poros son esenciales para el flujo, la permeabilidad no es necesariamente proporcional a la porosidad, pero la permeabilidad (K) generalmente está fuertemente correlacionada con la fracción de huecos de los poros (φ).
En el modelado a macroescala, se supone que todas las fases pueden estar presentes en el mismo lugar, aunque las fases no se mezclan. La permeabilidad de una fase depende de las condiciones de saturación y de la interacción con el sustrato en un lugar específico.
La suma de las permeabilidades relativas en un lugar específico (con una composición específica) no es necesariamente igual a uno porque son funciones no lineales de las saturaciones. Las permeabilidades relativas pueden depender de la distribución del tamaño de los poros, la viscosidad del fluido y las fuerzas interfaciales entre los fluidos.
Transporte en medios porosos
Existen varios mecanismos por los cuales los gases y líquidos pueden viajar en medios porosos. Esto se conoce como «transporte de masa» y puede depender de la aceleración de la molécula y del entorno. Las moléculas se agrupan en categorías distintas para ayudar a facilitar la comprensión y el modelado físico. Los cuatro tipos principales de transporte son:
1. Molécula libre o flujo de Knudsen, que ocurre cuando la longitud entre moléculas es muy pequeña o la densidad de especies es baja.
2. Difusión ordinaria (molecular), ocurre cuando diferentes especies de una mezcla se mueven entre sí bajo la influencia de la concentración, la temperatura u otros gradientes de fuerza externos.
3. Flujo viscoso (flujo masivo/continuo), donde el gas actúa como un fluido continuo impulsado por un gradiente de presión, y las colisiones entre moléculas dominan sobre las colisiones entre las moléculas y la pared, y
4. Difusión superficial, donde las moléculas se mueven a lo largo de una superficie sólida en una capa adsorbida.
Figura 2. Ilustración de diferentes tipos de flujo.
Se puede utilizar el mecanismo de transporte apropiado para predecir el flujo, o se puede combinar más de un mecanismo de transporte en un modelo para proporcionar resultados más precisos.
Si el camino libre medio de una molécula es menor que 0,01 veces el radio del poro, la difusión ordinaria es el principal modo de transporte de masa. Si el camino libre medio es mayor que diez veces el radio del poro, domina la difusión de Knudsen. Esto significa que se debe considerar la difusión de Knudsen si el radio de los poros es inferior a aproximadamente 0,5 µm. La capa de difusión de gas típica tiene poros de entre 0,5 y 20 μm de radio, y una capa microporosa contiene poros de entre 0,05 y 2. Por lo tanto, dependiendo del material utilizado, es posible que no sea necesario considerar la difusión de Knudsen en las capas de difusión de gas, pero debe contabilizarse en capas microporosas y de catalizador.
Flujo de molécula libre (Knudsen) en medios porosos
Knudsen o flujo de moléculas libres es donde las moléculas de gas chocan más entre sí que con las paredes del recipiente. El flujo de Knudsen ocurre cuando el camino libre medio de las moléculas de gas es aproximadamente la escala de longitud del recipiente, o hay densidades de gas muy bajas (lo que significa caminos libres medios grandes). En el flujo libre de moléculas, no hay distinción entre flujo y difusión (que son fenómenos moleculares). Además, la composición del gas no es importante ya que no existe interacción entre moléculas de gas de la misma o diferente especie.
Difusión ordinaria (molecular) en medios porosos
La difusión ordinaria es el mecanismo de difusión más común. Para mezclas binarias, el flujo difusivo es directamente proporcional a su gradiente de concentración. En mezclas multicomponentes se deben considerar los flujos de todas las especies ya que afecta el transporte difusivo de cualquiera de las especies. Esto se debe a que el impulso transferido a cualquier especie dependerá del movimiento relativo de todas las demás especies. El flujo de una sola especie se puede calcular en términos de los gradientes de concentración de las otras especies utilizando la ley de difusión de Fick:
donde J es el flujo de difusión, D es el coeficiente de difusión para cada especie y n es la fracción molar de cada especie. Para mezclas multicomponentes, se puede utilizar una forma ampliada de esta ecuación, llamada ecuación de Stefan-Maxwell.
Flujo viscoso (Darcy) en medios porosos
El flujo viscoso (Darcy) se refiere al flujo en el régimen continuo laminar causado por un gradiente de presión. El comportamiento del gas está determinado por el coeficiente de viscosidad, que es independiente de la presión de los gases. Dado que el flujo a granel no separa los componentes de las mezclas de gases, las mezclas de diferentes gases pueden tratarse de la misma manera que un gas puro. En condiciones de flujo laminar, el flujo monofásico de fluidos incompresibles en medios porosos se rige por la ley de Darcy:
donde V es la velocidad de Darcy, K es la permeabilidad absoluta, es la viscosidad dinámica del fluido, ▽P es el gradiente de presión y p es la densidad del fluido.
Conclusión
La capa de difusión de gas debe ser un buen conductor, químicamente estable y capaz de soportar las temperaturas y fuerzas de compresión de la pila de pilas de combustible. Se han utilizado muchos métodos para modelar el GDL. Algunos de los métodos convencionales incluyen modelar el gas y el fluido a través de los poros o modelar la interacción del gas/fluido con los medios porosos sólidos. Los métodos comúnmente utilizados incluyen la Ley de Fick, la Ley de Darcy y la difusión de Stefan-Maxwell para el transporte masivo.
