Consideraciones para la fabricación de placas bipolares de acero inoxidable
Históricamente, las pilas de combustible de baja temperatura han utilizado grafito mecanizado por CNC como placas bipolares. Los procesos de mecanizado precisos, de alto costo y alta permeabilidad del grafito han presentado dificultades para el mercado a gran escala. Debido a esto, se han investigado muchos otros materiales, incluidos materiales compuestos de carbono y metales con y sin recubrimiento. Dado que el costo, la capacidad de fabricación y la durabilidad son desafíos críticos para la tecnología de placas bipolares, las placas metálicas han recibido mucha atención por su idoneidad para aplicaciones de transporte. El acero inoxidable a menudo se ha promocionado como una gran posibilidad debido a su alta resistencia, alta estabilidad química, facilidad de producción en masa y bajo costo. Sin embargo, los desafíos para el acero inoxidable son una alta resistencia a la corrosión, una baja resistencia de contacto superficial y una producción en masa económica.
Las placas bipolares de acero inoxidable tienen que ser resistentes químicamente, y si no están diseñadas adecuadamente se producirá corrosión o disolución. Si la placa de metal comienza a disolverse, los iones metálicos se difundirán dentro de la membrana y quedarán atrapados en los sitios de intercambio iónico, lo que reducirá la conductividad iónica. La formación de capas de corrosión en la superficie de la placa aumenta la resistencia eléctrica y disminuye la eficiencia de la celda. Debido a estos problemas, las placas bipolares de acero inoxidable utilizan revestimientos protectores.
Otro punto de preocupación es la película de óxido natural sobre la superficie del acero inoxidable. Aunque esta película superficial protegerá el material a granel de una mayor corrosión, afecta significativamente la resistencia de contacto entre la placa bipolar y el respaldo del electrodo. Si la película de corrosión se espesa con el tiempo, la resistencia de contacto también aumentará con el tiempo. Varios tipos de aceros inoxidables tienen bajas tasas de corrosión y una producción de celda estable durante miles de horas. En particular, tanto el acero inoxidable austenítico (349TM) como el ferrítico (AISI446) con alto contenido de Cr han mostrado una buena resistencia a la corrosión. También se ha verificado que la película pasiva sobre la superficie del acero inoxidable se debe al Cr en las formas de aleación. A medida que aumentó el contenido de Cr en el acero inoxidable, mejoró la resistencia a la corrosión. Aunque los tipos de acero inoxidable austenítico (349TM) y ferrítico (AISI446) parecen ser materiales ideales para placas bipolares, es necesario trabajar para evaluar la viabilidad de un proceso de producción de alto volumen y bajo costo. Los tipos de acero inoxidable austenítico y ferrítico de menor costo serían más ventajosos para la producción en masa con un revestimiento resistente a la corrosión.
Procesos de manufactura
La fabricación de placas metálicas recubiertas incluye la formación de la placa base, operaciones de preparación y limpieza de la superficie y procesos de recubrimiento. Un método estándar para formar diseños de placas bipolares metálicas sólidas es el mecanizado o estampado, y existen procesos de formación de metales como forjado en molde cerrado en frío, fundición a presión, fundición a la cera perdida, forjado de polvo metálico y electroformado. Existen muchos más procesos de mecanizado para placas de mayor superficie. La Tabla 1 resume algunas opciones de proceso para placas bipolares de acero inoxidable.
Tabla 1. Opciones de proceso para placas bipolares de acero inoxidable
Las limitaciones de los métodos actuales de fabricación de placas bipolares son:
(1) Procesos que no se pueden utilizar para la fabricación en masa, como el mecanizado CNC
(2) Las placas no tienen rebabas ni tensiones.
(3) Fabricación de moldes que requiere mucho tiempo
(4) Gastos de equipo
Aunque inicialmente el estampado parecía un buen candidato para la fabricación de alto volumen y bajo costo, puede causar defectos en el material de acero inoxidable. La fotolitografía es adecuada para la producción en masa; sin embargo, existen muchos pasos de procesamiento que aumentan el costo total. Las técnicas de microfabricación de MEM, como el electroformado, son precisas, pero también tienen numerosos pasos y son costosas. La impresión tridimensional o la inyección de tinta de alta velocidad es factible porque esta tecnología ya ha sido demostrada para imprimir ciertos tipos de circuitos electrónicos, diodos emisores de luz de polímeros de bajo costo y fotolitografía sin máscara.
Recubrimientos
Los recubrimientos para placas bipolares deben ser resistentes a la corrosión y proteger el sustrato del entorno operativo. Los recubrimientos adecuados para acero inoxidable incluyen (1) grafito, (2) metales nobles, (3) nitruros metálicos y (4) carburos metálicos. Existen muchos métodos utilizados para depositar recubrimientos sobre placas bipolares metálicas. Los procesos incluyen técnicas físicas de deposición de vapor como evaporación por haz de electrones, pulverización catódica y descomposición por descarga luminosa, técnica de deposición química de vapor y técnicas químicas en fase líquida como deposición eléctrica y no eléctrica, recubrimiento de anodización/oxidación química y pintura. La Tabla 2 resume los recubrimientos de placas bipolares y algunos de los procesos tradicionales utilizados para producirlos.
Tabla 2. Materiales de revestimiento para placas bipolares de acero inoxidable
Consideraciones importantes a la hora de seleccionar un recubrimiento son la conductividad, la resistencia a la corrosión, la expansión térmica y la ausencia de microporos y microfisuras. Se deben considerar las diferencias de temperatura a las que pueden estar expuestas las placas metálicas al seleccionar el recubrimiento y el tipo de placa metálica porque los dos metales pueden expandirse y contraerse a diferentes velocidades. Los microporos y microfisuras pueden provocar fallas si el metal base queda expuesto al ambiente ácido de la celda de combustible. Las diferencias de expansión térmica y las microfisuras y microporos se pueden minimizar añadiendo capas de revestimiento intermedias entre las capas adyacentes.
Conclusión
Las placas de acero inoxidable son una opción viable para las placas bipolares debido a las propiedades del material, la capacidad de fabricación y el costo. Los cinco pasos principales que deben seleccionarse, diseñarse y desarrollarse cuidadosamente son (1) el tipo de material, (2) la formación o eliminación de óxido, (3) el proceso de fabricación, (4) el material de recubrimiento correcto y (5) la fabricación adecuada del recubrimiento. proceso. La selección cuidadosa de esos pasos dará como resultado una placa de celda de combustible que tiene un rendimiento excelente y puede producirse en masa a bajo costo.
