3. LA PLACA BIPOLAR. 3.1 FUNCIONES

Transcripción

1 3.- LA PLACA BIPOLAR. 3. LA PLACA BIPOLAR. Al ser el objetivo de este proyecto la realización del análisis de la sensibilidad de los parámetros geométricos de la placa bipolar de las pilas de combustible tipo PEM, se procederá en este capítulo a describir de forma detallada este componente. 3.1 FUNCIONES Son muchas e importantes las funciones que desempeña la placa bipolar dentro de una pila de combustible. Ésta puede ser considerada a priori como poco más que una simple estructura de placas conductoras y acanaladas que distribuye los gases hacia la membrana y proporciona los contactos eléctricos necesarios. Sin embargo, es uno de los elementos más importantes y costosos de la pila. La totalidad de las funciones que una placa bipolar desempeña en el apilamiento de una pila de combustible son: 1) Proporciona las series de conexiones necesarias entre las pilas a través de la conducción de la corriente eléctrica entre una pila y otra y finalmente a las placas de cierre (Placa de cierre negativa y placa de cierre positiva). 2) Proporciona a través de sus canales el gas necesario para su oxidación en la MEA y eliminar los productos producidos (agua) por la reacción de oxidación. 3) Es la responsable de cualquier transporte de gas entre pilas adyacentes. 4) Proporciona al conjunto, la suficiente rigidez mecánica con objeto de garantizar una fuerza de compresión entre los elementos que forman el stack que eliminen las fugas de gas que circula en el perímetro de las pilas. 5) Proporciona el contacto entre los líquidos refrigerantes con objeto de extraer el calor de los electrodos de las pilas en ausencia de placas refrigeradoras. -25-

2 3.2 DESCRIPCIÓN Y GEOMETRÍA TÍPICA DE LA PLACA BIPOLAR Descripción. La foto de la figura 8 muestra los componentes y geometría típica de una placa bipolar. A priori se observan unos canales que se encuentran localizados típicamente en la región central de la placa, en el área que se encuentra en contacto con la parte del electrodo correspondiente. Por los canales circulan los gases reactivos que se van a ir consumiendo en el electrodo correspondiente. Las superficies de las placas bipolares que tienen contacto directo con el electrodo se suelen llamar tierra o costillas. Estas superficies constituyen zonas de no consumo de combustible al no circular gas por ellos. En las esquinas de la placa se localizan los colectores que recorren todo el stack y sirven para transportar reactivos, productos y refrigerante, a cada placa bipolar y por tanto, a cada celda individual. Figura 8. Componentes típicos en una placa bipolar de una pila de combustible tipo P.E.M

3 3.2.2 Dimensiones de los canales. Son pocas las investigaciones que se han hecho a fin de analizar cómo afecta las dimensiones de los canales de la placa bipolar a la eficiencia de una pila de combustible. Este proyecto se centra en el estudio del efecto de las dimensiones y forma de los canales en el campo de flujo de una placa bipolar. La longitud de estos canales vendrá definida por el área de la superficie activa de la celda y la disposición geométrica de éstos. Lo que sí es relevante es la anchura y profundidad de estos. La anchura de los canales junto con la distancia entre canal y canal, que como se ha comentado se suele llamar costilla de la placa bipolar, determinan el número de canales de la placa. Tanto la anchura como profundidad de los canales suelen ser del orden de 1mm. No obstante se han realizado ya algunos estudios de cómo afectan estas dimensiones a la eficacia global de la pila y se han llegado a una serie de conclusiones [A. Kumar, 2002]: 1) El aumento de la anchura de los canales implica una reducción de pérdida de carga entre la entrada y la salida del reactante. 2) La disminución de la anchura de los canales y el aumento del número de canales conduce a un aumento del consumo de gas sobre el electrodo. 3) En cuanto a la distancia entre canales, se llega a la conclusión de que mientras esta dimensión sea más pequeña, la eficacia global de la pila de combustible es mayor. Lo cual es bastante evidente, ya que constituyen zonas de no consumo. No obstante esta dimensión se encuentra limitada en la actualidad por los procesos de fabricación de las placas bipolares. El mecanizado de placas bipolares dónde la anchura de costillas sea más pequeña que 0.5 mm no es factible. 4) Existe un valor óptimo de profundidad de canales en cuanto a consumo de reactante en el electrodo. Esto significa que si sólo se tuviera en cuenta el consumo, valores por encima o debajo de este valor óptimo harían disminuir la

4 eficacia de la pila. No obstante, son muchos más los factores que afectan al rendimiento de la pila. Todo esto se discutirá exhaustivamente en los resultados de este proyecto Sección de los canales. Los canales de las placas bipolares tienen típicamente sección rectangular, aunque se están empezando a ver otras configuraciones como secciones triangulares, trapezoidales o semicirculares. Existe en la bibliografía un estudio que compara distintas formas de secciones, en concreto rectangulares, triangulares y semicirculares. Para ver que placa bipolar es mejor que otra se usa como parámetro el consumo de hidrógeno en la superficie del electrodo. Para la misma potencia de salida un menor consumo de hidrógeno resulta en un aumento de la eficiencia del conjunto de la pila de combustible. El resultado de este análisis es observado en la figura 9. Se representa el consumo de hidrógeno para una placa bipolar con disposición de flujo en serpentín, con 1.5 mm de anchura y profundidad de canal y anchura de las costillas de 0.5 mm. Se observa que para secciones triangulares el consumo de hidrógeno en el ánodo es de un 92.5%, para secciones semicirculares de un 92.9% mientras que para secciones rectangulares es de un 84.8%. Por tanto, se llega a la conclusión que el uso de otras formas de secciones de canales puede aumentar el consumo de hidrógeno en el ánodo [A.Kumar, 2002]. Este resultado tiene dos interpretaciones muy diferentes, según consideremos que significa un aumento del consumo de hidrógeno. Las celdas de combustible suelen funcionar con un consumo de combustible establecido a priori, es decir con una potencia de salida determinada. Por tanto un mayor consumo en la superficie del electrodo, no implica mayor rendimiento. Todo lo contrario, para la misma potencia de salida se tiene un mayor consumo y por tanto peor rendimiento. Además, un mayor gasto del combustible implica mayores caídas de presión en los canales de las placas bipolares de la celda, y por tanto mayor potencia de bombeo necesaria

5 En cambio, si se considera que la celda de combustible no tiene un consumo impuesto sobre la superficie (una potencia de salida determinada) para las mismas condiciones de funcionamiento, un mayor consumo implicará mayor potencia de salida, y por tanto mayor rendimiento. Esta idea es importante en el diseño de las placas bipolares, para aprovechar la mayor cantidad de superficie de la MEA. COMPARACIÓN SECCIONES CONSUMO DE HIDRÓGENO (%) RECTANGULAR TRIANGULAR SEMICIRCULAR FORMA DE LA SECCIÓN Figura 9. Comparación en cuanto al consumo de hidrógeno de placas bipolares con distintas formas de secciones Disposición geométrica de flujo. La disposición geométrica de flujo consiste en la forma que constituyen los canales entre si en la placa bipolar. Los diseños más comunes actuales en el mercado son: Disposición tipo aguja (o flujo cruzado). Como puede observarse en la figura 10 este tipo de configuración de flujo esta formado por varios bloques colocados de manera regular a lo largo de la placa formando normalmente canales de flujo cruzado. Estos bloques pueden tener cualquier forma, siendo las más comunes las cúbicas como en el caso de la figura y circulares. El flujo a través de este tipo de disposición geométrica se caracteriza por una baja caída de presión desde la entrada hasta la salida y por la formación de áreas estancas. Esto

6 último, provoca una desigual distribución de la densidad de consumo sobre el electrodo, una extracción del agua inadecuada y una eficacia del conjunto baja. Además pueden darse zonas de recirculación detrás de cada bloque, lo cual implica que la concentración de hidrógeno puede disminuir en estas zonas [ Xianguo Li, 2004]. Figura 10. Placa bipolar con disposición de flujo tipo pin Disposición en paralelo. En este tipo de diseño, la configuración geométrica incluye un número de canales paralelos separados conectados a la entrada y salida de gas como muestra la figura 11. Entre sus características se ha destacar que tienen problemas para una correcta extracción de agua. Al ser los canales relativamente cortos y sin cambio de dirección poseen baja caída de presión. No obstante se observa que la pérdida de carga del sistema es muy grande en comparación con la del flujo en las celdas individuales, lo que origina una distribución de reactante no uniforme del conjunto, es decir, las primeras células contienen mucho más flujo de gas que las últimas. [ Xianguo Li, 2004]

7 Figura 11. Disposición geométrica de flujo paralelo o de flujo recto. Debido a estos problemas se han propuesto varias modificaciones de este tipo de disposición geométrica. Así existen diseños con grandes gradientes de presión dentro de los canales, tal que la resistencia al flujo difiera a lo largo de la longitud de estos. Esto se consigue variando la anchura a lo largo del canal, es decir con sección de canal no uniforme y de esta forma, la diferencia de distribución de reactante entre las primeras y últimas células del conjunto, no es tan elevada. Este tipo diseño se puede observar en la figuras 12.a y 12.b. (a)

8 (b) Figura 12. Versiones modificadas de disposición geométrica de flujo recto Disposición en serpentín. En un intento de solucionar los problemas por las disposiciones de flujo anteriores se propuso la siguiente disposición en serpentín. Ésta se puede observar en la figura 13.a. Los canales son generalmente lineales y dispuestos paralelamente entre si, pero inclinados respecto al borde de la placa. Además forman un serpentín de manera que recorren gran parte de la superficie activa. Este tipo de diseño incurre normalmente en altas pérdidas de carga y tiene tendencia a formar áreas estancas debido a los cambios bruscos de dirección que requiere una geometría en serpentín. Además como consecuencia de una mala extracción del agua suelen producirse inundaciones. [Xianguo Li, 2004]

9 (a) (b) Figura 13. Disposición geométrica en serpentín. (a) Flujo con varias entradas y salidas. (b) Flujo continuo. Para resolver el problema de las inundaciones se optó por un diseño de flujo continuo, es decir, un canal con una sola entrada y una sola salida. Este tipo de diseño se puede observar en la fotografía de la figura 13.b. Con esta solución se obliga al flujo a recorrer toda la superficie activa minimizando las zonas estancas. No obstante, la longitud de los canales es bastante mayor lo que conlleva a pérdidas de carga mayores. Por tanto otra modificación propuesta es la de una disposición de flujo en serpentín de flujo continuo (una sola entrada y una sola salida) pero con varias zonas en serpentín. De esta manera, como se observa en la figura 14, la longitud de los canales es menor alcanzándose de esta forma menores pérdidas de carga

10 Figura 14. Múltiples canales en disposición geométrica en serpentín Disposición integrada. Este tipo de disposiciones de flujo se caracterizan por tener en la misma parte de la placa bipolar el gas reactante y el fluido refrigerante. Como se puede observar en la figura 15 el flujo de gas reactante está en contacto directo con la superficie electroquímicamente activa mientras que el fluido refrigerante rodea los canales que contienen el gas combustible. De esta forma, este tipo de disposiciones eliminan la necesidad de introducir placas adicionales para la circulación del refrigerante en el apilamiento, mejorando de forma significativa la densidad de potencia de la pila. Sin embargo, este tipo de diseños no puede mantener una distribución de temperaturas uniforme sobre la totalidad de la superficie

11 Figura 15. Disposición de flujo integrada. Disposición de flujo discontinuo. Para todas las disposiciones de flujo expuestas hasta ahora, los canales proporcionan un recorrido al flujo continuo desde el colector de entrada hasta el colector de salida, mientras parte de éste penetra en la superficie del electrodo. Como se puede observar en la figura 16 la mayor parte del flujo reactante circula en dirección paralela a la superficie del electrodo; otra parte reacciona en la capa catalítica. El transporte del combustible hasta esta capa es predominantemente mediante difusión. La lentitud del proceso de difusión provoca limitaciones en la transferencia de masa, como dificultades en la extracción del agua. Estos problemas se deben principalmente al hecho de que el flujo en estos canales es laminar puesto que el gas circula a muy pequeñas velocidades y la sección de estos canales es muy pequeña. Las disposiciones de flujo con esta tecnología han sido estudiadas para proporcionar velocidades normales a la superficie del electrodo, consiguiendo de este modo, mejor transferencia de masa, y flujo convectivo para aumentar la extracción del agua. Un esquema de este tipo de disposiciones de flujo se ha representado en la figura 17. Se observa pues, que no existe continuidad desde el conector de entrada hasta el conector

12 de salida. El combustible es forzado a atravesar la zona porosa para poder alcanzar todos los canales. Figura 16. Mecanismo de transferencia de masa en las disposiciones de flujo convencionales Figura 17. Mecanismo de transferencia de masa en las disposiciones de flujo discontinuo

13 Estos tipos de diseño pueden extraer el agua fácilmente, prevenir la aparición de inundaciones, y proporcionar un aumento de la densidad de corriente y eficacia global de la pila. Sin embargo, no todo son ventajas. Los gases reactantes experimentan una caída de presión importante, sobre todo en la parte de la placa bipolar del oxígeno. Las pilas trabajando con placas con este tipo de disposiciones demandarán más potencia de compresión, limitando la utilización de esta tecnología a pilas de combustible pequeñas [ Xianguo Li, 2004]

14 3.3 MATERIALES. Los materiales más utilizados habitualmente en la fabricación de las placas bipolares de las pilas de combustible son el grafito y algunos metales, aunque actualmente se están empezando a utilizar placas de composite. A la hora de elegir el material de las placas bipolares se ha de tener en cuenta qué características se buscan en una placa bipolar. Los requerimientos básicos de las placas bipolares son varios. Deben conseguir una distribución uniforme de gases reactivos en la superficie de los electrodos, valores altos de conductividad eléctrica, alta resistencia mecánica para salvaguardar el stack, impermeabilidad de gases, resistencia a la corrosión para una larga duración además de materiales baratos y fácil fabricación [D. Brett, 2005]. El material ideal debería por tanto, poder combinar las siguientes propiedades: 1) Alta conductividad eléctrica. Especialmente en la dirección de corriente. 2) Baja resistencia de contacto con la capa difusora de gases. Dependiendo del material y grosor de la placa, la resistencia de contacto con la capa difusora de gases puede hacer disminuir la propia resistencia de la placa bipolar. 3) Buena conductividad térmica. Una extracción del calor de los electrodos eficiente es vital para el mantenimiento de la distribución de temperatura lo más homogénea posible. 4) Estabilidad térmica. La tendencia hacia mayores temperaturas de operación origina obstrucciones en algunos tipos de composites constituidos por carbono y polímeros. 5) Impermeabilidad del gas. Para evitar fugas del gas que haría caer considerablemente la eficiencia de la pila

15 6) Alta resistencia mecánica. Para que pueda servir de estructura a la pila de combustible, y hacer de soporte a la MEA. 7) Alta resistencia a la corrosión. Las placas bipolares, operan en medios templados y húmedos, y simultáneamente están expuestas al aire y al combustible. Esto hace que se encuentren en condiciones ideales para la corrosión. 8) Resistencia a la liberación de iones: Si los iones del metal de la placa se liberan de la placa, estos pueden sustituir protones de la membrana y disminuir la conductividad iónica. 9) Delgado y ligeros. Siempre y cuando no perjudique al flujo a través de los canales y se mantenga la estabilidad mecánica. 10) Bajo coste y de fácil fabricación. 11) No perjudicial para el medio ambiente. Que sea reciclable es un factor importante a tener en cuenta. No existe material que desempeñe a la vez todos los requisitos anteriores. Por tanto, lo que los fabricantes de estas placas buscan, es un material que cumpla la mayoría de las propiedades de acuerdo a la función o al tipo de pila de combustible que desea fabricar. A continuación se exponen las ventajes y desventajas de los materiales actualmente usados en la fabricación de placas bipolares Grafito Tradicionalmente las placas bipolares han sido hechas de grafito impregnadas con una resina o sujetas a una impregnación pirolítica (un tratamiento térmico que sella los poros a una profundidad de 7 µm en la superficie del grafito). Tales materiales ofrecen unas altas conductividades térmicas y electrónicas, baja resistencia de

16 contacto, una aceptable resistencia a la corrosión y un fácil mecanizado. Si se usa la impregnación pirolítica, la temperatura máxima de operación es hasta 450ºC, no obstante si se usa la resina impregnada en grafito la máxima temperatura está limitada a 150ºC. Aunque todavía se usan en muchos estados del arte, estos tipos de placas bipolares están siendo reemplazados por materiales metálicos y composites de carbono. Materiales que son más robustos, más delgados, más baratos y de más fácil fabricación. Cabe destacar que se está empezando a utilizar el grafito flexible. Desarrollado por GRAFCELL una empresa estadounidense de Ohio. Este material que se desarrolla mediante expansión natural del grafito y con la ayuda de tratamientos térmicos, tiene las propiedades de poseer muy baja resistencia de contacto y densidad (1g/m 3 ), además de tener excelentes características de sellado. No obstante, es mecánicamente más débil que otros materiales de placas bipolares y tiene una permeabilidad de gases relativamente alta [D. Brett, 2005] Metálicos. Las placas bipolares metálicas poseen las ventajas genéricas de una alta conductividad eléctrica y la impermeabilidad de gas. También son más baratas que el grafito en las cantidades requeridas. Probablemente la mayor ventaja es que el stack resultante puede ser más pequeño y ligero que uno hecho de grafito. La principal desventaja de las placas bipolares metálicas es la baja resistencia a la corrosión. Por tanto, sólo un número relativamente pequeño de metales, poseen las propiedades adecuadas para poder usados en la fabricación de las placas bipolares: -Aluminio. Tiene las ventajas de baja densidad, bajo coste y el hecho de que es muy manejable. Sin embargo, tras su corrosión produce una capa de oxido que reduce la conductividad de tal manera que hace que el aluminio no se pueda usar como material para las placas bipolares a no ser que sea convenientemente protegido

17 -Titanio. Tiene una baja densidad como el aluminio. Pero también posee una excelente resistencia a la corrosión debido a una película de oxido aislada. La gran desventaja es que el titanio es más caro que el aluminio y que el acero inoxidable. -Aleación acero inoxidable. Su principal ventaja es la combinación de su gran resistencia mecánica y a la corrosión. El uso del acero inoxidable no tratado mediante algún tipo de recubrimiento puede ser considerado una opción factible, especialmente si el contacto directo con la membrana puede ser evitado y el agua en el sistema es pura y permanece cercana al PH neutro. -Níquel: El níquel no forma una película protectora de oxido y por tanto en una pila de combustible se corroerá severamente. Por tanto, sólo será una opción factible si éste es tratado o está aleado con cromo Composites de Carbono-Carbono. Fueron desarrollados originalmente para el programa espacial Apolo y consisten básicamente en una matriz de carbono reforzada con fibras de carbono. Hoy en día, se usan en multitud de aplicaciones, donde la resistencia mecánica y la compatibilidad con altas temperaturas son esenciales. La combinación de esta alta resistencia mecánica, junto con una baja densidad, estabilidad química, alta conductividad térmica y eléctrica, y posibilidad de trabajar a muy altas temperaturas hacen que está tecnología se este considerando en la fabricación de placas bipolares [D. Brett, 2005]. No obstante, no todo son ventajas. Debido a los procesos de fabricación, presentan pérdidas de la tolerancia dimensional, por encogimiento en el molde dónde se desarrollan. Además su fabricación es costosa comparada con la de los otros materiales

18 3.3.4 Composites de Carbono-Polímero. Las placas bipolares hechas de este material son de bajo coste, peso ligero y rápida fabricación, ya que la geometría del campo de flujo, puede ser moldeada directamente en el composite. Sin embargo, su conductividad iónica es bastante inferior con respecto a la de los otros materiales. Esto se puede solucionar añadiendo tanto grafito como sea posible, sin afectar a las buenas propiedades para ser moldeado [D. Brett, 2005]