Placas bipolares: la columna vertebral y las vías de las pilas de combustible

En el complejo e intrincado mundo interno de una pila de combustible, si el conjunto de electrodos de membrana es el "corazón" responsable de la generación de energía, entonces el placa bipolar es la "columna vertebral" que sostiene toda la estructura de la batería y la "autopista" que asegura el flujo fluido de los elementos que sustentan la vida.

Este componente, aparentemente simple, es, de hecho, crucial para determinar la potencia de salida, la eficiencia y la vida útil de la pila de combustible. No es solo una pieza estructural, sino un componente esencial que integra múltiples funciones, como la distribución del campo de flujo, la conducción eléctrica y la conducción térmica. Desde la perspectiva de los materiales, el desarrollo de las placas bipolares ha pasado por distintas etapas, cada una con sus propias ventajas y desventajas. El primer material ampliamente utilizado fue el grafito. El grafito ofrece una excelente conductividad eléctrica y una resistencia excepcional a la corrosión, lo que lo hace perfectamente apto para soportar los desafíos a largo plazo del entorno ácido dentro de una pila de combustible.

Sin embargo, su fragilidad inherente hace que las placas bipolares de grafito sean propensas a dañarse durante el procesamiento y el ensamblaje. Además, para lograr una estanqueidad suficiente a los gases, a menudo requieren un grosor considerable, lo que limita la densidad de potencia volumétrica del conjunto de celdas de combustible. Para superar estas desventajas, surgieron las placas bipolares metálicas, principalmente fabricadas con acero inoxidable o aleaciones de titanio. La mayor ventaja de las placas bipolares metálicas reside en su alta resistencia mecánica y su excepcional conductividad eléctrica y térmica, lo que permite fabricarlas extremadamente delgadas, lo que hace que el conjunto de celdas de combustible sea más compacto y alcanza una mayor densidad de potencia. Sin embargo, los metales se enfrentan a graves problemas de corrosión en el entorno operativo de las celdas de combustible. Una vez corroídos, no solo aumenta la resistencia de contacto, lo que reduce la eficiencia, sino que la lixiviación de iones metálicos también puede contaminar el catalizador.

Por lo tanto, se debe aplicar a la superficie un recubrimiento resistente a la corrosión, como oro, platino o un recubrimiento a base de carbono, lo que sin duda incrementa los costos de fabricación y la complejidad del proceso. En los últimos años, las placas bipolares de materiales compuestos se han convertido en una nueva línea de investigación. Estas se fabrican típicamente mezclando rellenos conductores como grafito o negro de humo con resinas poliméricas (como polipropileno) y se moldean mediante inyección. Combinan la resistencia a la corrosión del grafito con la moldeabilidad de los plásticos, lo que facilita la producción en masa y ofrece ventajas en cuanto a aligeramiento. Sin embargo, su conductividad eléctrica y resistencia mecánica son generalmente intermedias entre las del grafito y el metal, lo que representa un compromiso importante en la tecnología actual. El modo operativo de una placa bipolar es un paradigma de multitarea paralela, y sus funciones se pueden resumir en tres aspectos. La función principal es canalizar los gases reactivos. A través de canales de flujo mecanizados con precisión en un lado, similares a "autopistas" en miniatura, suministra uniformemente combustible de hidrógeno a la capa catalizadora del ánodo y oxidante (oxígeno del aire) a la capa catalizadora del cátodo, asegurando que toda el área de reacción participe eficientemente en la generación de energía. Al mismo tiempo, el diseño de estos canales de flujo es altamente científico: deben garantizar una distribución uniforme del gas, evitar zonas muertas y eliminar eficazmente el agua producida por la reacción para evitar inundaciones que podrían bloquear los canales. La segunda función principal es captar y conducir la corriente eléctrica. La placa bipolar actúa como un colector de corriente, recogiendo la corriente eléctrica generada por cada conjunto de electrodos de membrana (celda individual) y conectando las celdas en serie gracias a su alta conductividad, generando finalmente el voltaje y la potencia requeridos. La conductividad eléctrica de su material determina directamente las pérdidas de resistencia interna en este proceso. La tercera función clave es la disipación del calor y la gestión del agua.

La reacción de la pila de combustible genera calor; la placa bipolar, que actúa como vía de conducción térmica, debe disipar este calor rápidamente para mantener la pila dentro de un rango de temperatura de funcionamiento adecuado. Mientras tanto, el agua generada en el cátodo se elimina parcialmente por el exceso de aire, y el diseño del campo de flujo y el tratamiento hidrofílico/hidrofóbico de la placa bipolar son cruciales para la eliminación eficaz de esta agua. Por lo tanto, el rendimiento de la placa bipolar determina directamente la eficiencia general de la pila de combustible.

Una placa bipolar ideal debe lograr el equilibrio óptimo entre conductividad y resistencia a la corrosión, robustez y delgadez, flujo de gas y gestión del agua, coste de fabricación y vida útil. Ya sea de grafito, metal o materiales compuestos, el objetivo de desarrollo sigue siendo el mismo: impulsar las perspectivas de comercialización más amplias de las pilas de combustible con menores costes y un rendimiento más fiable. Se puede afirmar que cada avance en la tecnología de placas bipolares supone un paso significativo hacia la adopción generalizada de las pilas de combustible.