Placas bipolares (BP)

Las PEMFC, se construyen a partir de varias celdas individuales, conectadas en serie mediante placas bipolares. Las placas bipolares constituyen un factor importante, generalmente representan el 80% de la masa de la batería de celdas ya que los EME son muy delgados, además al reducirse la cantidad de platino, pasaron a ser una parte importante del costo de las PEMFC [6].

Las placas bipolares cumplen las siguientes funciones:

• Distribuir el combustible y el oxidante dentro de la celda.

• Separar las celdas en una batería.

• Transportar la corriente de cada celda.

• Transportar el agua que produce cada celda.

• Humidificar los gases.

• Mantener la celda refrigerada.

Cada BP consta de un canal recto o serpenteado para la circulación del gas, cuyo recorrido se diseña para maximizar el contacto entre el gas y el EME. La forma específica de los canales para el gas es crítica para la producción uniforme de energía, lograr un rendimiento estable y un correcto manejo del agua producida. Cada placa debe ser conductora de la electricidad, de manera que la corriente generada durante la reacción electroquímica, pueda circular desde una celda hasta los bornes de la próxima y así obtener la potencia de la batería.

El material más utilizado es el grafito, debido a su excelente conductividad, baja contaminación y relativo bajo costo. Según la literatura además del grafito, se utilizan metales recubiertos y algunos materiales compuestos.

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Se agregan placas, con un diseño similar al de las placas bipolares, para conducir el fluido refrigerante y de esta manera se puede controlar la temperatura de la celda. Las placas bipolares y las de refrigeración contienen las conexiones para el ingreso, la salida y la distribución uniforme del combustible, el oxidante y el fluido refrigerante en la batería de celdas. También se instalan sellos entre las placas para asegurar que los fluidos no se mezclen.

Según Ruge y Buchi, los requerimientos que debe tener el material utilizado para fabricar las placas bipolares son [6]:

• La conductividad eléctrica debe ser > 10 S cm-1_.

• La conductividad térmica debe superar los 20 W. m-1_{. K}-1_{, cuando existen fluidos}

refrigerantes integrados, o superar los 100 W. m-1_{. K}-1_{, si el calor es desplazado solo por el}

material de la placa.

• La permeabilidad a los gases debe ser menor a 10-7 _{mBar. L . s}-1_{. cm}-2_.

• Debe ser resistente a la corrosión producida por el calor, la humedad y el contacto con el electrolito ácido, el oxígeno y el hidrógeno.

• Debe ser lo suficientemente rígido, con una resistencia a la flexión > 25 MPa.

• El costo deberá ser lo más bajo posible.

• Debe permitir fabricar placas delgadas, para minimizar el volumen de la batería.

• Debe ser liviano, para minimizar el peso de la batería.

• El tiempo del ciclo de producción deberá ser razonablemente corto.

Los métodos para fabricar las placas bipolares y los materiales que se utilizan varían considerablemente. En todos los métodos de fabricación a las placas bipolares se la divide en dos partes, lo cual facilita la construcción de los canales para el pasaje del aire o agua de enfriamiento. Esto se puede ver en la Figura 2.16, donde los canales para el aire refrigerante se encuentran en la unión de las dos partes que componen las placas [6].

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Uno de los procesos de fabricación más utilizados es el mecanizado del grafito, ya que este es buen conductor eléctrico y resulta relativamente fácil de mecanizar; además tiene baja densidad, menos que cualquier metal que pueda cumplir la misma función. Las PEMFC con estas placas logran una densidad de potencia competitiva, sin embargo, tienen tres importantes desventajas [6]:

Figura 2.16.- Diseño de placas bipolares para la circulación de aire reactivo y aire refrigerante por separado.

• El mecanizado del grafito se hace automáticamente, pero el corte subsiguiente lleva mucho tiempo y requiere una máquina costosa.

• El grafito es frágil, y por lo tanto la placa resultante debe manipularse cuidadosamente, y el ensamble se torna dificultoso.

• El grafito es bastante poroso, por lo tanto las placas deben tener algunos milímetros de espesor para mantener los gases reactantes separados, y aunque la densidad es baja, la placa bipolar resultante no es muy liviana.

Otro posibilidad, pero menos utilizada, es emplear en lugar de grafito, carbón y compuestos de carbón.

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También pueden utilizarse metales, los cuales presentan la ventaja de la sencillez de su trabajado y ser buenos conductores de la electricidad y el calor. Los metales no son porosos, por lo que pueden fabricarse piezas finas que pueden mantener a los gases reactantes separados.

Sus principales desventajas son su alta densidad y su baja resistencia a la corrosión, ya que el ambiente en el interior de la celda resulta bastante corrosivo debido a la presencia de vapor de agua, oxígeno y humedad.

Aunque algunos fabricantes utilizan metales, tal el caso de las empresas Siemens e Intelligent Energy, la mayoría, incluido Ballard, utilizan materiales basados en grafito. A continuación se describen distintos materiales y procesos de fabricación:

• Placas de grafito sin porosidad: se ha demostrado que el grafito presenta estabilidad química para soportar las condiciones adversas que representa el funcionamiento de una celda. Se utiliza el grafito sin porosidad, tanto natural, como sintético para la construcción de placas bipolares [4].

• Placas metálicas recubiertas: como posibles materiales alternativos para placas bipolares, se emplean: aluminio, acero inoxidable, titanio y níquel, y generalmente las placas metálicas se construyen de una única pieza o en forma modular como la presentada por Allen [37].

Independientemente de la forma, se debe tener en cuenta en la elección del material que las placas estarán sometidas a medios corrosivos, con un pH de 2 o 3, y a altas temperaturas. Particularmente cuando el metal de la placa se disuelve, los iones del metal disuelto difunden dentro de la membrana, disminuyendo su conductividad iónica. La presencia de una capa de corrosión sobre la superficie de la placa bipolar, incrementa su resistencia eléctrica en la porción corroída, provocando una disminución de la potencia de salida de la celda.

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Para evitar estos inconvenientes se las recubren con materiales protectores. Borup y Vanderborgh, sugieren que los recubrimientos de las placas bipolares deben ser conductores eléctricos y adherirse al material base para protegerlo de las condiciones ambientales de funcionamiento. Ellos presentan la siguiente descripción de los materiales para este fin, distinguiendo si el material base es carbón o metal [11].

Recubrimientos para carbón:

• Grafito.

• Polímero conductor.

• Carbón en forma de diamante

• Homopolímeros orgánicos auto-ensamblados. Recubrimientos para metal:

• Metales nobles.

• Nitruros metálicos.

• Carburos metálicos.

Woodman y colaboradores, estudiaron los mecanismos de fallas por corrosión en las placas bipolares recubiertas. Concluyeron que el coeficiente de dilatación térmica, la resistencia a la corrosión del recubrimiento, los micro poros, y las micro grietas, cumplen un rol importante en el ambiente riguroso de una PEMFC [38].

Aunque las PEMFC funcionan a temperaturas menores de 100 °C, en condiciones específicas de frecuentes arranques y paradas, pueden esperarse variaciones de temperatura entre 75 y 125 °C. Esta es una consideración importante, ya que las placas y el recubrimiento pueden expandirse y contraerse de forma diferente, generando micro-poros y micro-grietas que causan fallas al dejar expuesto el metal base de la placa al ambiente ácido de la celda.

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• Placas de material compuesto: existen dos alternativas, según contengan metal o carbón:

ƒ Las placas desarrolladas por Los Alamos National Laboratory emplean metal, y su

diseño es una combinación de grafito poroso, policarbonato y acero inoxidable, con la intención de obtener los beneficios de esos materiales. Producir grafito poroso insume un menor tiempo y costo que el grafito sin porosidad, y puede impermeabilizarse con el policarbonato y el acero inoxidable. El acero le confiere rigidez a la estructura y el grafito resistencia a la corrosión. El policarbonato aporta resistencia química. Así la placa que se obtiene es una muy buena alternativa de estabilidad y costo para la obtención de placas bipolares [39].

ƒ Las placas donde la base es carbón contienen además polímeros termoplásticos

(polietileno, polipropileno) o polímeros termoestables (epoxis, fenólicos y vinílicos), con material de relleno. En los primeros desarrollos el material preferido era el termoplástico, pero en 1980, se cambió a los termoestables. Sin embargo recientemente se han vuelto a producir placas bipolares con resinas termoplásticas debido a su facilidad para el reciclado.

En la Figura 2.17 se presenta un esquema donde se muestran los distintos materiales utilizados en la fabricación de placas bipolares [4].