La capa de difusión de gas (GDL) está intercalada entre la capa de catalizador y las placas bipolares como se muestra en la Figura 1. La capa de difusión de gas (GDL) proporciona contacto eléctrico entre los electrodos y las placas bipolares y distribuye los reactivos a los electrodos. El GDL también permite que el agua que se genera como resultado de la reacción química se mueva entre los electrodos y los canales de flujo.
Figura 5-1: Capas de pilas de combustible (campo de flujo, capa de difusión de gas, capa de catalizador) que tienen transporte de masa por convección y difusión.
Los soportes de difusión de gas están hechos de un material poroso y conductor de electricidad (normalmente tela o papel carbón). En la Figura 2 se muestra una ilustración de una tela de carbón simple y un papel carbón Toray. El sustrato se puede tratar con un fluoropolímero y negro de carbón para mejorar la gestión del agua y las propiedades eléctricas. Estos tipos de materiales promueven la difusión efectiva de los gases reactivos al conjunto de membrana/electrodo. La estructura permite que el gas se extienda a medida que se difunde para maximizar la superficie de contacto de la membrana catalizada. Los espesores de diversos materiales de difusión de gas varían entre 0,0017 y 0,04 cm, la densidad varía entre 0,21 y 0,73 g/cm² y la porosidad varía entre el 70 y el 80 por ciento.
Figura 2: Tela carbón y papel Toray.
El GDL también ayuda a la gestión del agua en PEMFC porque solo permite que una cantidad adecuada de vapor de agua entre en contacto con el conjunto de membrana/electrodo para mantener la membrana humidificada. Además, favorece la salida de agua líquida del cátodo para ayudar a eliminar inundaciones. Esta capa generalmente es resistente a la humedad para asegurar que los poros de la tela o papel carbón no se obstruyan con agua. El agente impermeabilizante más común es el PTFE.
Se ha realizado una cantidad limitada de investigaciones sobre cuál es la mejor capa de GDL para la gestión del agua. Algunas de las propiedades de los papeles carbón disponibles comercialmente se muestran en la Tabla 1. Muchos científicos han descubierto que la tela carbónica ofrece una clara ventaja a altas densidades de corriente. Se descubrió que la tela mejora las propiedades de transporte de masa en el cátodo derivadas de una mejor gestión del agua y mayores tasas de difusión de oxígeno. La porosidad superficial y la hidrofobicidad del sustrato de tela también son más favorables para el movimiento del agua líquida.
Tabla 1: Propiedades de los papeles carbón disponibles comercialmente utilizados como sustratos en electrodos PEMFC.
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. El medio de difusión del ánodo o del cátodo, o ambos, pueden tratarse con PTFE. El material de difusión se sumerge en una solución de 5 a 30 por ciento de PTFE, seguido de secado y sinterización. La interfaz capa de catalizador/GDL a menudo consiste en un recubrimiento o capa microporosa para garantizar mejores contactos eléctricos y un transporte eficiente de 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 tienen entre 0,1 y 0,5 micrones y, por tanto, son mucho más pequeños que el tamaño de los poros de los papeles de fibra de carbono.
La capa de difusión de gas permite el flujo de gases y líquidos y conecta eléctricamente la capa de catalizador con las placas bipolares. Tanto la resistividad en el plano pasante como en el plano del material de difusión de gas son importantes. La porosidad de los medios de difusión de gas está entre un 70 y un 80 por ciento de porosidad y también depende del espesor comprimido. La compresión de la capa de difusión de gas también ayuda a minimizar la pérdida de resistencia de contacto.
