Imprimación para pilas de combustible
Las pilas de combustible producen electricidad a partir de reactivos como el oxígeno y el hidrógeno, aunque se pueden utilizar otros combustibles además del hidrógeno. La reacción electroquímica produce agua y calor como subproductos. Las pilas de combustible son mucho más eficientes que el motor de combustión interna porque proporcionan más energía utilizable sin producir contaminación.
La típica pila de combustible de membrana de electrolito polimérico, o PEMFC, contiene dos electrodos: uno cargado positivamente, llamado ánodo, y otro cargado negativamente, llamado cátodo. El ánodo y el cátodo están hechos de una capa de soporte de papel carbón o tela de carbón eléctricamente conductora, recubierta con una capa de catalizador. Entre ellos se encuentra una membrana de electrolito, que es el corazón de la pila de combustible; conduce protones desde el ánodo al cátodo. Para entender cómo funciona, debemos bajar al nivel molecular.
Cuando el gas hidrógeno ingresa al ánodo, entra en contacto con el catalizador, que divide el gas en iones positivos (protones de hidrógeno) y electrones. ¡Los electrones viajan a un circuito externo para crear la corriente eléctrica que alimentará el dispositivo, vehículo, casa o transbordador espacial! Al mismo tiempo, se alimenta oxígeno al cátodo, donde una capa de catalizador crea iones de oxígeno. Los protones de hidrógeno viajan a través de la membrana y llegan al lado del cátodo donde se unen con estos iones de oxígeno, creando agua y calor como subproducto de la reacción electroquímica. Dado que una sola pila de combustible no genera suficiente electricidad para alimentar la mayoría de los dispositivos, los fabricantes de pilas de combustible las apilan en serie, por lo que se denominan pilas de pilas de combustible. Cuanto mayor sea el número de pilas de combustible en la pila, mayor será el voltaje. Cuanto mayor sea el área de los electrodos, mayor será la corriente. El voltaje multiplicado por la corriente es igual a la potencia total de salida. La Figura 1 muestra un esquema de una única pila de combustible.
Figura 1. Ilustración de una pila de combustible de una sola celda
PARTES DE UNA PILA DE COMBUSTIBLE
1. La membrana de electrolito de polímero
El material electrolítico estándar que se utiliza actualmente para las pilas de combustible PEM es una membrana polimérica a base de teflón producida por DuPont para aplicaciones espaciales en la década de 1960. Los electrolitos DuPont tienen la marca genérica Nafion®, y el tipo específico que se utiliza con mayor frecuencia es Nafion® 117. Las membranas Nafion® exhiben una estabilidad química y térmica excepcionalmente alta. Son estables frente al ataque químico de bases fuertes, ácidos oxidantes y reductores fuertes, cloro, hidrógeno y oxígeno a temperaturas de hasta 125 °C. La membrana conductora de protones generalmente consta de una estructura polimérica a base de politetrafluoroetileno, o polímero a base de PTFE, a la que están unidos grupos de ácido sulfónico (este es un grupo cargado negativamente, que “transporta” los protones de hidrógeno a través de la membrana). La fórmula química de Nafion® 117 se muestra en la Figura 2.
Figura 2. Estructura química de una membrana Nafion®
La membrana conductora de protones funciona bien para las pilas de combustible porque los protones de hidrógeno saltan de un sitio SO3 a otro a través del material y emergen por el otro lado de la membrana. Sin embargo, la membrana debe permanecer hidratada para conducir los protones, lo que limita la temperatura de funcionamiento de las pilas de combustible PEM por debajo del punto de ebullición del agua y hace que la gestión del agua sea una cuestión clave en el desarrollo de PEMFC.
2. Los electrodos
Los electrodos suelen estar hechos de una mezcla porosa de platino soportado por carbono y una capa de soporte a base de carbono. Para catalizar las reacciones, las partículas del catalizador deben tener contacto tanto con la capa de soporte a base de carbono como con la membrana del electrolito (Nafion®). Además, debe haber pasajes para que los reactivos (el hidrógeno y el oxígeno) lleguen a los sitios del catalizador y para que los productos de la reacción (el agua y el calor) salgan. Los «pasos» generalmente se crean mediante la combinación de la porosidad de la capa de soporte de carbono, la capa porosa del catalizador y las placas del campo de flujo. El punto de contacto de los reactivos, el catalizador y el electrolito suele denominarse interfaz trifásica. Pero para lograr velocidades de reacción aceptables, el área efectiva de los sitios activos del catalizador debe ser varias veces mayor que el área geométrica del electrodo, por lo que los electrodos son porosos y forman una red tridimensional en la que se ubican las interfaces trifásicas.
La mayoría de los desarrolladores de PEMFC han elegido el enfoque de película delgada, en el que los electrodos se fabrican directamente sobre la superficie de la membrana. Los beneficios de los electrodos de película delgada incluyen un precio más bajo, un mejor uso del catalizador y un mejor transporte de masa de reactivos y productos de reacción. El espesor de un electrodo de película delgada suele ser de 5 a 15 micrómetros y la carga de catalizador está entre 0,1 y 1,0 mg/cm2 por centímetro cuadrado de membrana.
3. Respaldos de difusión de gas
En un PEMFC, el conjunto de electrodos de membrana, o MEA, está intercalado entre placas de campo de flujo. A cada lado del MEA, entre el electrodo y la placa del campo de flujo, hay soportes de difusión de gas hechos de un material poroso y eléctricamente conductor (generalmente tela de carbón o papel carbón) que puede tratarse con un fluoropolímero y negro de humo para mejorar la gestión del agua y propiedades electricas. Estos soportes proporcionan contacto eléctrico entre los electrodos y las placas del campo de flujo y distribuyen reactivos a los electrodos.
4. Placas de campo de flujo
Las placas del campo de flujo separan los gases reactivos de las celdas adyacentes, conectan las celdas eléctricamente y actúan como una estructura de soporte. La Figura 3 muestra una vista explosionada de una pila de celdas de combustible PEM compuesta por celdas repetidas de MEA y placas de campo de flujo. Aumentar el número de celdas en la pila aumenta el voltaje, mientras que aumentar el área de superficie aumenta la corriente.
Figura 3. Vista en despiece de una pila de pilas de combustible (3M)
Las placas del campo de flujo tienen canales de flujo de reactivos en ambos lados, formando los compartimentos anódico y catódico de las celdas unitarias en los lados opuestos de la placa del campo de flujo. La geometría del canal de flujo afecta las velocidades de flujo de los reactivos y la transferencia de masa y, por tanto, el rendimiento de la pila de combustible. Los materiales de las placas del campo de flujo deben tener alta conductividad y ser impermeables a los gases. Además, debido a la presencia de gases reactivos y del catalizador, el material debe resistir la corrosión y ser químicamente inerte.
La mayoría de las placas de campo de flujo PEMFC están hechas de grafito impregnado de resina. El grafito sólido es altamente conductor, químicamente inerte y resistente a la corrosión, pero también es caro y costoso de fabricar. Los canales de flujo están grabados a máquina o electroquímicamente en las superficies de la placa del campo de flujo. Sin embargo, estos métodos no son adecuados para la producción en masa y se están investigando nuevos materiales para placas de campo de flujo.
5. Diseño del campo de flujo
En las pilas de combustible PEM, el campo de flujo debe diseñarse para garantizar que la presión de los reactivos no caiga drásticamente y al mismo tiempo proporcione una transferencia de masa adecuada y uniformemente distribuida a través de la capa de difusión de carbono hasta la superficie del catalizador para la reacción. Dos configuraciones de canales populares para las celdas de combustible PEM son los patrones de flujo serpentino y paralelo, como se muestra en la Figura 4. Algunas celdas de combustible de pequeña escala no utilizan un campo de flujo para distribuir el hidrógeno y el aire, sino que dependen de procesos de difusión del medio ambiente.
La trayectoria del flujo serpentino es continua de principio a fin. Una ventaja del camino de flujo serpentino es que cualquier obstrucción en el camino no bloqueará toda la actividad aguas abajo de la obstrucción. Una desventaja del flujo serpentino es el hecho de que el reactivo se agota a lo largo del canal, por lo que se debe proporcionar una cantidad adecuada de gas para evitar pérdidas excesivas de voltaje.
En la configuración paralela, los canales de flujo requieren menos flujo másico por canal y proporcionan una distribución de gas más uniforme con una caída de presión reducida. La desventaja de la configuración de flujo paralelo es que una obstrucción en un canal da como resultado una redistribución del flujo entre los canales restantes y una «zona muerta» aguas abajo del bloqueo.
Figura 4. Diseños de campo de flujo (a) serpentino y (b) de flujo paralelo
El diseño de campo de flujo serpentino suele preferirse para muchos tipos de pilas de combustible debido a una mejor distribución de los reactivos y un buen drenaje del agua.
Conclusión
La pila de combustible es un sistema único y científicamente fascinante, que consta de una gran variedad de materiales, reacciones electroquímicas y diseños de ingeniería interesantes. Para estudiar y comprender adecuadamente el sistema de pilas de combustible, una comprensión interdisciplinaria de la electroquímica, los materiales, la fabricación y la transferencia de masa y calor ayudará a avanzar hacia la construcción y mejora de las pilas de pilas de combustible.
