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3.- LA PLACA BIPOLAR. José Javier Martínez Sánchez
-25-ANÁLISIS DE SENSIBILIDAD DE LOS PARÁMETROS DE DISEÑO DE
LA PLACA BIPOLAR DE UNA PILA DE COMBUSTIBLE TIPO PEM.
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.
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3.2 DESCRIPCIÓN Y GEOMETRÍA TÍPICA DE LA PLACA
BIPOLAR.
3.2.1 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.
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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
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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.
3.2.3 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.
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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.
Figura 9. Comparación en cuanto al consumo de hidrógeno de placas bipolares con
distintas formas de secciones.
3.2.4 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
COMPARACIÓN SECCIONES
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
RECTANGULAR TRIANGULAR SEMICIRCULAR
FORMA DE LA SECCIÓN
CONSUMO DE
HIDRÓGENO (%)
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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].
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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)
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(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].
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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.
(a) (b)
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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.
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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
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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.
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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].
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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.
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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.
3.3.1 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
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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/m3), 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].
3.3.2 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.
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-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.
3.3.3 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.
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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].