Placas bipolares de baja temperatura
Cada componente de la pila de combustible debe diseñarse correctamente; de lo contrario, se corre el riesgo de disminuir el rendimiento de la pila de combustible. Las placas bipolares se denominan «bipolares» porque tienen campos de flujo en ambos lados. Este diseño es muy conveniente cuando tiene conjuntos de electrodos de membrana (MEA) en ambos lados. En una pila de combustible de una sola celda no hay placas bipolares porque solo hay un MEA. Sin embargo, en las pilas de combustible con más de una celda, suele haber al menos una placa bipolar. Las placas bipolares desempeñan varias funciones simultáneamente en las pilas de combustible. Las placas bipolares 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 bipolar. No sólo distribuyen combustible y oxidante dentro de la celda, sino que también separan las celdas individuales en la pila, recogen la corriente, alejan el agua de cada celda, humidifican los gases y mantienen las celdas frescas. Para realizar simultáneamente estas funciones, se necesitan materiales y diseños de placas específicos.
El diseño del campo de flujo debe distribuir eficazmente gases y líquidos sobre la mayor superficie posible del MEA. Los diseños comúnmente utilizados incluyen campos de flujo rectos, serpentinos, paralelos, interdigitados o de tipo pin. Junto con estos diseños, los materiales de las placas se eligen en función de la compatibilidad química, la resistencia a la corrosión, el costo, la densidad, la conductividad electrónica, la difusividad/impermeabilidad del gas, la capacidad de fabricación, el volumen de la pila/kW, la resistencia del material y la conductividad térmica. Por lo tanto, puede ver que la selección de una parte aparentemente simple de la pila de combustible puede requerir bastante planificación y diseño.
El diseño de los campos de flujo, junto con las dimensiones del canal, influyen en las velocidades de flujo de los reactivos y en la transferencia de masa y, por tanto, en el rendimiento de la pila de combustible. Los materiales de placas bipolares deben tener una alta conductividad y ser impermeables a los gases. Debido a la presencia de gases reactivos y catalizadores, el material debe ser resistente a la corrosión y químicamente inerte.
Las placas bipolares de pila de combustible representan la mayor parte del peso y volumen de la pila de combustible; por lo tanto, es deseable producir placas con las dimensiones más pequeñas posibles (< 3 mm de ancho) para pilas de combustible portátiles y de automoción. Cuando se forman canales de flujo en ambos lados de la misma placa, un lado sirve como placa anódica y el otro lado es placa catódica.
Materiales
La mayoría de las placas bipolares PEMFC y DMFC están hechas de grafito o grafito impregnado de resina. El grafito sólido es altamente conductor, químicamente inerte y resistente a la corrosión; pero caro y costoso de fabricar, por lo que a menudo se utiliza para prototipos. Los canales de flujo suelen estar mecanizados o grabados electroquímicamente para prototipos o pilas de pilas de combustible de bajo volumen. Estos métodos no son adecuados para la producción en masa, por lo que durante dos décadas se han investigado exhaustivamente materiales y procesos de fabricación bipolares alternativos.
Muchos tipos de placas metálicas son adecuadas para las pilas de combustible, incluidos el aluminio, el acero, el titanio y el níquel. Las placas metálicas son adecuadas para la producción en masa y se pueden convertir en capas muy finas, lo que da como resultado pilas ligeras y portátiles. Las placas bipolares están expuestas a un ambiente corrosivo, lo que significa que los iones metálicos disueltos pueden difundirse dentro de la membrana, lo que reduce la conductividad iónica y reduce la vida útil de la pila de combustible. Para evitar la migración del metal, se necesita una capa que evite la corrosión y al mismo tiempo promueva la conductividad. Algunas capas comúnmente utilizadas son grafito, oro, plata, paladio, platino, carbono, polímero conductor y otros tipos.
Las placas compuestas de grafito y carbono se han creado utilizando termoplásticos o termoestables con cargas conductoras. Estos materiales son químicamente estables en pilas de combustible y son adecuados para técnicas de producción en masa, como el moldeo por compresión, el moldeo por transferencia o el moldeo por inyección. A menudo, la construcción y el diseño de estas placas son un equilibrio entre la capacidad de fabricación y las propiedades funcionales.
Otra característica importante de los materiales de placas bipolares es la conductividad eléctrica. La pérdida de conductividad en la celda se debe principalmente a la resistencia de contacto. Este tipo de pérdida resulta de los contactos interfaciales entre la placa bipolar y la capa de difusión de gas. Las pérdidas de resistividad de contacto interfacial se pueden determinar intercalando una placa bipolar entre dos capas de difusión de gas y luego haciendo pasar una corriente eléctrica a través del sándwich y midiendo la caída de voltaje. La caída de voltaje total es una función importante de la presión de sujeción. La resistencia aparente de la placa bipolar y los medios de difusión de gas debe ser independiente de la fuerza de sujeción, pero la resistencia de contacto es una función importante de la fuerza de sujeción.
Recubrimientos de placas bipolares
Los materiales metálicos más comunes utilizados para las placas bipolares son el aluminio, el acero inoxidable, el titanio y el níquel. La mayoría de las placas metálicas están hechas de un solo metal, pero hay diseños en la literatura que utilizan placas bipolares metálicas modulares, que combinan diferentes materiales para mejorar la conductividad térmica y eléctrica. Las placas bipolares deben ser químicamente resistentes porque puede producirse corrosión o disolución según el material. La formación de capas de corrosión en la superficie de la placa aumenta la resistencia eléctrica. Además, dependiendo del tipo de metal, los iones pueden difundirse dentro de la membrana y quedar atrapados en los sitios de intercambio iónico, lo que reduce la conductividad iónica. Debido a estos problemas, las placas bipolares metálicas utilizan revestimientos protectores.
Los recubrimientos para placas bipolares deben ser resistentes a la corrosión y proteger el sustrato del entorno operativo. Hay muchos materiales de recubrimiento de placas bipolares metálicas y a base de carbono que se pueden utilizar. Los recubrimientos a base de carbono incluyen grafito, polímero conductor y monopolímeros orgánicos autoensamblados, mientras que los recubrimientos a base de metales consisten en metales nobles, nitruros metálicos y carburos metálicos.
Se utilizan muchos métodos 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, la 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.
Al seleccionar un recubrimiento, las consideraciones importantes incluyen la conductividad, la resistencia a la corrosión, la expansión térmica y la ausencia de microporos y microfisuras. Las placas de metal están expuestas a diferencias de temperatura en la pila de pilas de combustible; por lo tanto, se debe considerar el rango de temperatura al seleccionar el tipo de recubrimiento y placa metálica porque la expansión y contracción pueden tener diferentes velocidades. El recubrimiento debe cubrir adecuadamente la placa y no estar expuesto a condiciones que puedan causar microfisuras u otros defectos del recubrimiento. 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, así como las microfisuras y microporos, se pueden minimizar añadiendo capas de revestimiento intermedias entre las capas adyacentes.
Placas compuestas
Durante las últimas dos décadas se han estado investigando muchos materiales nuevos para pilas de combustible. Muchas de estas nuevas placas son de metal o de carbono. Hay varias innovaciones de materiales interesantes, como materiales que combinan grafito poroso, plástico de policarbonato y acero inoxidable para utilizar las propiedades beneficiosas de cada tipo de material. En este ejemplo, el acero inoxidable aporta rigidez a la estructura mientras que el grafito resiste la corrosión. El policarbonato u otro tipo de polímero proporciona resistencia química y se puede moldear en cualquier forma para funcionar como juntas y colectores. Algunas de estas placas estratificadas parecen ser una buena alternativa desde una perspectiva química, física, eléctrica, de fabricación y de costes.
Se ha realizado una gran cantidad de investigaciones sobre el uso de placas bipolares compuestas a base de carbono en pilas de combustible. Algunas de las placas bipolares compuestas de carbono se han fabricado utilizando resinas termoplásticas (polipropileno, polietileno y poli[fluoruro de vinilideno]) o termoestables (fenólicas, epoxi y ésteres vinílicos) con cargas y refuerzo de fibra. Los fabricantes recientes de placas bipolares están produciendo placas bipolares con resinas termoplásticas debido a la facilidad de fabricación: son fácilmente moldeables por inyección y reciclables.
Pensamientos concluyentes
La selección de las placas bipolares apropiadas puede ser un desafío debido a la multifuncionalidad requerida de las placas. Los materiales utilizados habitualmente para las placas bipolares son el grafito, las placas metálicas revestidas y las placas compuestas. El diseño del campo de flujo también es crucial para garantizar una distribución uniforme de los reactivos y productos en toda la celda. Hay muchas opciones de proceso disponibles para fabricar las placas bipolares. Las opciones seleccionadas deben considerarse cuidadosamente para garantizar que funcionarán de manera óptima y permitirán la producción en masa del tipo de pila de combustible.
