Las placas bipolares son unos de los elementos mecánicos de estos dispositivos y las responsables de más del 80% del peso en un stack. Asimismo, son las encargadas de darle la necesaria estabilidad mecánica a las diferentes celdas que lo componen, separándolas físicamente y actuando como conectores eléctricos entre ellas. Mediante las geometrías de flujo, también aseguran una correcta distribución de los reactantes sobre la capa catalítica y facilitan la evacuación del agua generada durante la reacción electroquímica al exterior. El calor generado en las capas catalíticas catódicas también por reacción se intercambia al exterior por medio de estos elementos. Todo ello obliga a la realización de un buen diseño de la geometría de canales y una adecuada selección de los materiales.

Estudio de nuevos materiales y análisis de durabilidad

El grafito es el material más empleado en las pilas de combustible de tipo PEM comerciales. Es un material muy ligero, pero con una limitada conductividad térmica y eléctrica en el plano perpendicular a las zonas de reacción. Por eso, el uso de placas metálicas ofrece ciertas ventajas en este sentido. Sin embargo, los metales son más pesados que el grafito y susceptibles de degradación en ambientes ácidos con humedad.

En el LIFTEC se estudia el comportamiento de diferentes recubrimientos superficiales durante su uso en placas metálicas de baja densidad como alternativa a las de grafito, evaluando su durabilidad mediante ensayos prolongados en condiciones reales de funcionamiento. Para llevar a cabo una evaluación de la degradación de las placas se analizan mediante imágenes de alta resolución, o microscopía SEM-EDX, estudiando la formación de picaduras o fracturas en el recubrimiento. También se aplica esta misma técnica a las MEAs para detectar la migración de iones metálicos desde las placas hacia la capa difusora o catalítica.

Análisis EDX de una MEA donde se observa la migración de iones Al y Ni procedentes de la superficie de una placa bipolar

Diseño de nuevas geometrías de flujo y optimización de los sistemas de distribución de gases en las placas bipolares

El reparto uniforme del flujo de los gases reactantes desde los colectores principales de la pila hacia cada una de las placas, así como su distribución homogénea sobre toda el área de las capas catalíticas es fundamental para el óptimo funcionamiento de las pilas. Por este motivo, los protocolos de dimensionamiento de canales, así como la propia geometría de flujo se convierten en aspectos básicos a tener en cuenta para el diseño de las placas bipolares.

El grupo dispone de varios códigos bi- y tridimensionales que permiten la optimización del diseño de las geometrías de flujo de las placas bipolares y los colectores generales que se emplean para distribuir los gases reactantes a cada celda. Estos códigos se basan en resolver numéricamente las ecuaciones de Navier-Stokes (NS), que describen el movimiento de fluidos incompresibles, newtonianos y laminares como el de los gases en las pilas PEM en cátodos y ánodos.

Resultados de simulación numérica de la distribución del flujo de gases reactantes a cada celda de un stack desde los colectores generales

El grado de complejidad se ha ido incrementando con el paso del tiempo, y se han incorporado la descripción de otros complejos procesos como el transporte de gases, protones e iones a través de medios porosos (capas difusoras, catalíticas y membrana conductora de protones), la formación, condensación y manejo del agua de la pila, la transferencia de calor, etc. (ver línea 3).

Considerando los resultados obtenidos en las simulaciones numéricas, el grupo ha patentado dos nuevas geometrías de flujo una “en cascada” y otra de tipo “espina de pez”. Los resultados experimentales que se han obtenido son muy buenos, sobre todo si se comparan con los que se logran empleando geometrías de tipo serpentín, serpentín-paralelo o con canales rectos paralelos.

Placas bipolares con las dos geometrías de flujo diseñadas y patentadas por el grupo: “en cascada” (izquierda) y de “espina de pez” (derecha)

Estudio de la generación y gestión del agua en el interior de las celdas

El agua es fundamental para la conducción protónica de las membranas poliméricas en las pilas PEM de baja temperatura. Sin embargo, el agua presente en el interior de la pila afecta también al transporte y distribución de gases a través de los canales de flujo, la capa difusora y la capa catalítica. Mientras que un alto contenido en agua favorece la conductividad protónica en la membrana, su presencia en exceso en forma líquida supone una obstrucción de los poros o canales que dificulta la transferencia de reactantes. De hecho, el fenómeno conocido como encharcamiento, suele ser más severo en el cátodo que el ánodo, debido a la generación in situ de agua que dificulta la difusión del oxígeno (o aire) hacia los electrodos.

En este sentido el LITEC se centra en el análisis experimental mediante monoceldas en funcionamiento real de la forma en que se genera y maneja el agua por diversas geometrías de flujo mediante visualización directa con cámaras de CCD. De ésta forma es posible detectar zonas de condensación o encharcamiento que impiden la correcta distribución del gas en la capa difusora y mejorar los diseños de canal o crear estrategias para la extracción del agua durante el funcionamiento.

Placa bipolar transparente usada para las visualizaciones con cámara de CCD

Monocelda empleada para el ensayo en funcionamiento real y evaluación de la generación de agua mediante visualización directa

Imagen tomada con cámara de CCD del cátodo de una monocelda durante el ensayo donde se observa la condensación del agua en la superficie de la placa