Diseño de placas bipolares.

...

- Celdas de combustible alcalinas (AFC)

Utilizan una solución acuosa de hidróxido de potasio (KOH) como electrolito y operan a bajas temperaturas, alrededor de 100°C.Las principal desventaja es la alta sensibilidad al dióxido de carbono () y la consecuente necesidad de un sistema que remueva el dióxido de carbono del aire. Además de eso, el uso de un electrolito corrosivo es también una desventaja debido a que disminuye el periodo de utilidad de la celda. Debido a esto no es usada para aplicaciones comerciales; pero se muestra muy atractiva en el campo del transporte, para vehículos y barcos, e incluso para transporte espacial.[pic 4]

- Celdas de combustible de ácido fosfórico (PAFC)

Utilizan un electrolito de ácido fosfórico líquido y operan a temperaturas entre 175°C y 200°C. Una ventaja de este tipo de celdas es que son muy tolerantes a las impurezas de los combustibles de hidrocarburos reformados. También permiten la cogeneración debido a la temperatura de operación. Su mayor desventaja es el alto costo del platino utilizado como catalizador. Son usadas principalmente en plantas de manera estacionaria y por su capacidad de cogeneración.

- Celdas de combustible de ácido carbónico fundido (MCFC)

Estas celdas operan a altas temperaturas, alrededor de 600°C y 700°C. Sus mayores ventajas es su alta eficiencia de operación (50%-60%), su capacidad de cogeneración y el hecho de que no necesita un metal catalizador debido a su alta temperatura de operación. Sus principales desventajas son la intolerancia a los sulfuros y la lenta puesta en marcha. Son principalmente usadas en aplicaciones estacionarias que requieren una mediana o alta potencia.

- Celdas de combustible de óxido sólido (SOFC)

Estas celdas operan a muy altas temperaturas de operación, alrededor de 1000°C. Sus principales ventanas son la gran capacidad de cogeneración, debido a su calor residual y su alta eficiencia de operación (50%-60%). Sus principales desventajas son su intolerancia a los sulfuros, alto costo y lenta puesta en marcha, además de no permitir grandes cambios en la carga de combustible. Por lo tanto estas celdas son principalmente usadas en aplicaciones estacionarias que requieren gran potencia.

- Celdas de combustible de metanol directo (DMFC)

Utilizan polímero sólido como electrolito y se alimentan con metanol () y operan a temperaturas de operación bajas, menores a 100°C. Sus principales desventajas son la baja eficiencia de operación, la lenta cinética de oxidación en el compartimiento anódico y el reflujo de metanol a través de la membrana. Son principalmente usadas como baterías de pequeños dispositivos electrónicos.[pic 5]

Regiones controlantes asociadas a una celda de combustible

El comportamiento de una celda de combustible puede estudiarse a partir de su curva de polarización, que es una gráfica de Voltaje de celda contra densidad de corriente, como se puede observar abajo en la figura. En dicha figura se observa que existe un valor máximo de voltaje, cuando el circuito se encuentra abierto y que depende de los potenciales de reducción tanto del combustible como del oxidante. Cuando se pone en marcha una celda de combustible, se presentan caídas de voltaje o sobrepotenciales que vienen asociados a tres fenómenos principales, estos son

- Sobrepotenciales por activación, asociados a la región controlante por la transferencia de carga. Este tipo de pérdidas se disminuyen con un adecuado estudio y diseño de catalizadores.

- Sobrepotenciales por concentración, asociados a la región controlante por la transferencia de masa. Estas pérdidas se disminuyen con diseños adecuados para la capa de difusión y los canales de flujo que distribuyen los reactivos a través de la celda, buscando aumentar la densidad de corriente límite en esta.

- Sobrepotenciales asociados a caídas óhmicas, relacionados con la región de migración o mixta. Estas pérdidas se disminuyen con diseños adecuados de para membrana y ensamble de la celda, así como disminución de las resistencias por contacto.

Figura 2. Curva de polarización de una celda de combustible, con las regiones controlantes indicadas. [3]

[pic 6]

Importancia de las placas bipolares

Este trabajo se centra en el diseño de los campos de flujo de las placas bipolares para celdas tipo PEM de combustible líquido (etanol). Para ello se deben determinar los parámetros de diseño y geometrías de flujo adecuadas. Por lo tanto es importante conceptualizar la importancia de las placas bipolares en una celda de combustible.

Las placas bipolares son un componente de vital importancia para una celda de combustible PEM, ya que deben desarrollar un gran número de funciones de manera simultánea con el fin de lograr un mejor rendimiento del stack y su vida útil. Estas placas suministran el combustible y el oxidante a los sitios reactivos, remueven los productos de la reacción, son medios de conexión eléctrica entre las diferentes celdas del stack y proveen soporte estructural a la delgada y mecánicamente débil MEA (Ensamble electrodo membrana). Debido a esto, las placas bipolares conforman más del 30% del costo total y más del 60% del peso en un stack de celdas de combustible. [4]

Los requerimientos de las placas bipolares con respecto a sus características fisicoquímicas son una adecuada distribución de los reactivos sobre la superficie activa del electrodo, para así disminuir los sobrepotenciales por concentración, altos valores de conductividad electrónica para recolectar la corriente eléctrica, buena resistencia estructural para mantener la integridad de todos los elementos del stack, impermeabilidad a los reactivos para una adecuada operación, resistencia a la corrosión bajo las condiciones de operación de la celda por un gran periodo de tiempo. Además de eso se buscan materiales baratos y de una fabricación fácil y automatizada para que los costos sean bajos. [3]

Ante la gran necesidad de desarrollar stacks de celdas livianos y compactos como prerrequisito para muchas aplicaciones, el diseño de las placas bipolares ah cobrado gran importancia, tanto desde el estudio de materiales para su construcción como de la geometría de sus campos de flujo, buscando siempre reducir su paso, volumen y costo de producción.

Figura 3. Esquema de un stack