Las placas bipolares, a menudo denominadas colectores de corriente, son componentes indispensables dentro de de células de combustible tecnología. Ubicadas entre los conjuntos de electrodos de membrana y los componentes de sellado, estas placas desempeñan un papel multifacético que es esencial para el funcionamiento eficiente de las pilas de combustible.
Desde el punto de vista funcional, las placas bipolares actúan como enlaces fundamentales dentro de la pila de combustible, realizando diversas tareas que garantizan la conversión perfecta de la energía química en energía eléctrica.
Ante todo, actúan como barreras, separando eficazmente los flujos de combustible y oxidante e impidiendo el paso de gases, lo que mantiene la integridad de las reacciones electroquímicas que tienen lugar dentro de la celda. Además, estas placas facilitan el transporte de los gases de reacción hacia y desde los electrodos, lo que permite reacciones electroquímicas eficientes.
Además, las placas bipolares desempeñan un papel crucial al proporcionar conectividad eléctrica, asegurando un flujo de corriente uniforme a través del conjunto de celdas. También contribuyen a la eliminación de los subproductos acuosos generados durante las reacciones electroquímicas, evitando inundaciones y manteniendo un rendimiento óptimo de la celda.
Además, el diseño y el mecanizado de los canales de flujo dentro de las placas bipolares están concebidos para distribuir uniformemente los gases en la capa de reacción del electrodo, lo que favorece reacciones electroquímicas uniformes. También contribuyen a disipar el calor de forma eficaz, ayudando así a regular la temperatura dentro de la pila de combustible.
En cuanto a su construcción, las placas bipolares presentan características ideales para su aplicación. Se caracterizan por perfiles delgados y una construcción ligera, lo que contribuye a la eficiencia general del sistema de pila de combustible. Además, ofrecen opciones de fabricación rentables, lo que las hace idóneas para la producción a gran escala.
La selección de materiales para las placas bipolares es fundamental, ya que estos deben presentar alta resistencia, resistencia a la corrosión, buena estanqueidad a los gases y alta conductividad para optimizar tanto la potencia de salida como la vida útil de los sistemas de pilas de combustible. Actualmente, las placas bipolares disponibles en el mercado se clasifican generalmente en tres categorías: placas bipolares de grafito, placas bipolares metálicas y placas bipolares compuestas.
Placa bipolar de grafito
Las placas bipolares de grafito son componentes esenciales en la tecnología de pilas de combustible, compuestas principalmente de polvo de grafito y grafito expandido.
1. Polvo de grafito:
El polvo de grafito es una de las principales materias primas para las placas bipolares de grafito. Se trata de grafito finamente molido, caracterizado por su alta conductividad y resistencia a la corrosión.
2. Grafito expandido:
El grafito expandido, otro componente crucial, se somete a un proceso de expansión para aumentar su volumen. Esto da como resultado una estructura porosa con conductividad térmica y eléctrica mejorada, lo que lo convierte en un material ideal para placas bipolares.
La producción y el procesamiento de placas bipolares de grafito generalmente implican dos métodos principales:
– El primer método consiste en el moldeo o moldeo por inyección de polvo de grafito mezclado con materiales de resina. Este proceso aprovecha las características de la mezcla de polvo de grafito y resina para lograr propiedades hidrofóbicas en la superficie del producto.
El segundo método utiliza materiales compuestos de grafito expandido para producir estructuras laminares. Este proceso incluye etapas como prensado ligero, moldeo, impregnación con resina, sulfuración, unión y sellado. Gracias al uso de materiales de grafito expandido, los productos resultantes presentan alta conductividad eléctrica y térmica, cumpliendo con los requisitos de geometría de placa bipolar, contorno superficial y dimensiones mecánicas.
Las placas bipolares de grafito ofrecen varias ventajas, como alta durabilidad, resistencia a la corrosión y un costo relativamente bajo. Son especialmente adecuadas para vehículos comerciales como autobuses, vehículos de logística, vehículos de saneamiento y carretillas elevadoras. Sin embargo, también presentan algunos inconvenientes, como baja resistencia a la compresión y a la flexión, lo que puede provocar fragilidad, dificultades de montaje y mayores dimensiones.
Placas bipolares metálicas
Las placas bipolares metálicas son componentes esenciales en la tecnología de pilas de combustible y se están consolidando como la opción principal debido a su rentabilidad y excelentes propiedades mecánicas. Estas placas se fabrican con diversos metales y materiales compuestos metálicos, cada uno con ventajas únicas para aplicaciones en pilas de combustible.
Comprensión detallada del principio de funcionamiento, el proceso de fabricación y los materiales metálicos de las placas bipolares metálicas >>>
Materiales como el acero inoxidable, las aleaciones de aluminio, las aleaciones de titanio, las aleaciones de níquel, las aleaciones de cobre y los compuestos a base de metales se utilizan ampliamente en la industria. fabricación de placas bipolares metálicasEstampado tradicional o procesos de fotograbado Se emplean para producir láminas metálicas ultrafinas de tan solo 0.1 mm de espesor para la fabricación de placas bipolares.
Las placas metálicas, al ser relativamente más delgadas, presentan una mayor densidad de potencia volumétrica, lo que las hace idóneas para pilas de combustible de alta densidad. Se utilizan ampliamente en vehículos de pasajeros y otras aplicaciones que requieren una alta potencia de salida. Sin embargo, las placas metálicas pueden presentar una menor durabilidad, mayores costos de producción influenciados por la selección del material y susceptibilidad a reacciones de oxidación y corrosión en ambientes ácidos o a altas temperaturas.
Cabe destacar que lograr la producción a gran escala de placas bipolares metálicas podría reducir significativamente los costos de producción, convirtiéndola en un foco de investigación en la industria. A medida que continúan los avances, las placas bipolares metálicas prometen optimizar aún más la tecnología de celdas de combustible, contribuyendo al desarrollo de soluciones de energía limpia.
Placas bipolares compuestas
Las placas bipolares compuestas representan un avance pionero en la tecnología de pilas de combustible, formadas por dos o más materiales sintetizados para crear soluciones innovadoras. Analicemos qué hace que las placas bipolares compuestas sean tan especiales.
Las placas bipolares compuestas presentan una mezcla de materiales, principalmente compuestos de carbono/carbono y compuestos de grafito/polímero. Estas combinaciones buscan aprovechar la resistencia a la corrosión de los materiales de grafito con la procesabilidad y la alta dureza de los metales, superando así las limitaciones inherentes a cada material por separado.
Las investigaciones actuales se centran en la modificación de la superficie de placas de ánodo fabricadas con aleaciones de aluminio, acero al carbono o aceros inoxidables como el 316L y el 310L. Las técnicas de modificación de superficie incluyen recubrimientos a base de carbono, recubrimientos de nitruro metálico y recubrimientos de polímeros, que mejoran su rendimiento y durabilidad.
A pesar de sus posibles beneficios, las placas bipolares compuestas presentan ciertos desafíos. Sus ciclos de procesamiento prolongados y procesos de producción complejos, junto con problemas de fiabilidad tras un uso prolongado, limitan su adopción generalizada en aplicaciones de pilas de combustible.
Además, las tecnologías de recubrimiento de superficies exigen requisitos de equipamiento muy estrictos, sobre todo para los procesos que implican el galvanizado de metales preciosos, lo que incrementa significativamente los costes de producción.
Las placas bipolares son componentes vitales de las pilas de combustible, y la búsqueda de nuevos materiales y métodos de fabricación de alto rendimiento y rentables para estas placas es crucial para la industrialización de los vehículos con pilas de combustible. Entre los diversos materiales para placas bipolares, las placas metálicas presentan ventajas en conductividad, resistencia a la fatiga, etc., en comparación con las placas de grafito, lo que las hace más propicias para la miniaturización y significativamente importantes para aumentar la densidad de potencia de los conjuntos de pilas de combustible.
En el futuro, el desarrollo de recubrimientos conductores y resistentes a la corrosión de excelente calidad, así como de nuevos tipos de materiales metálicos para placas bipolares, impulsará significativamente la aplicación de las celdas de combustible PEM en el sector de los vehículos de pasajeros. Asimismo, los avances tecnológicos que contribuyen a la reducción de costes son igualmente cruciales, y acelerar la transformación de los productos de placas bipolares, desde los logros de laboratorio hasta los productos industriales, constituye la vía más directa para la reducción de costes y la mejora de la eficiencia.
