¿Por qué es necesario apilar las pilas de combustible?

Una única monocelda, esto es: un ánodo, un cátodo y la membrana, que utiliza hidrógeno como combustible presenta en su punto de trabajo unos 0.7 V. Y claro, con este voltaje no vamos a ninguna parte, sin ir más lejos el mando de tu televisor utiliza pilas de 1,5 V. Por tanto, para producir un voltaje medianamente decente vamos a necesitar unir en serie varias monoceldas dando lugar a lo que se conoce como stack o apilamiento. Pero ¿cómo unir en serie varias celdas? Os adelanto la respuesta, con “bipolar plates”. Vamos a ello pues.

Antes de leer esta entrada te recomiendo que para su mejor comprensión leas antes: “¿Cómo funciona una pila de combustible?

La forma más sencilla que nos viene a la cabeza para unir varias celdas en serie es coger un cable y unir el ánodo de una de ellas con el cátodo de la siguiente y así sucesivamente. Esta metodología presenta varios problemas, el primero es ¿cómo vamos a suministrar los reactantes a los electrodos de este supuesto diseño? Pero bueno, supongamos que sabemos como hacerlo, todavía tenemos otro problema bastante más serio. Y es que en este supuesto, los electrones que se generan en el ánodo tendrán que viajar por todo el electrodo hasta el punto en que se haya unido el cable, viajar a través de este y después repartirse por el cátodo, su lugar de destino. Tenemos unos 0,7 V, que no es mucho precisamente, no estamos en condiciones de tener pérdidas superfluas que hagan que el potencial efectivo sea menor todavía. Con un recorrido tan largo, obligando a los electrones a desplazarse a través del propio electrodo, las pérdidas van a ser el pan de cada día. Por eso, este método se descarta de forma general. Como mucho podría emplearse en pilas de combustible cuya corriente sea muy baja, los electrodos sean muy buenos conductores y su área sea muy pequeña.

Vista frontal de un bipolar plate

Vista frontal de un bipolar plate con un canal en forma de serpentin. El agujero superor izquierdo seria la entrada del reactante pertinente y el inferior derecho la salida del mismo. Los otros dos agujeros sirven para alimentar con el otro reactante al otro lado del bipolar plate.

Bipolar plate en 3D

Mismo bipolar plate que antes pero en 3D. Puede verse el detalle de los canales labrados.

Pero unas mentes pensantes lograron resolver el problema de la conexión eficiente de las celdas en serie al tiempo que también solucionaban la forma de llevar a cabo el aporte de los reactantes a los electrodos. Para ello se utilizan los denominados “bipolar plates” que son unas placas que permiten una conducción mucho más eficiente de los electrones de un ánodo al cátodo contiguo. De esta forma se logra aumentar el voltaje de salida de la pila de combustible pues a los efectos estamos uniendo en serie varias monoceldas. Pero los bipolar plates tienen otras funciones a mayores:

  • Por un lado, como hemos dicho, deben ser capaces de distribuir de forma eficiente los reactantes correspondientes a los electrodos. Para ello cuentan con una serie de canales horadados a cada lado a través de los cuales se realiza el aporte de combustible y oxidante. Existen muchas configuraciones de canales diferentes y es un ámbito sometido a una gran investigación ya que una distribución más eficiente de los reactantes puede mejorar las actuaciones de la pila de combustible.
  • Los bipolar plates tienen que ser capaces de evacuar el calor que se genera en los electrodos para evitar el deterioro de las monoceldas. Habitualmente las pilas de combustible cuentan con dispositivos para su refrigeración, pero en última instancia esta dependerá de la conductividad térmica de las placas.
  • Deben también separar los flujos de reactantes y evitar que estos se mezclen o que existan fugas. Ya que si el combustible alcanzase el electrodo opuesto se oxidaría en este directamente con el oxidante haciendo que el la tensión de la pila de combustible se redujese.
  • La última de sus funciones es aportar rigidez estructural al stack completo pues los electrodos y las membranas no presentan por si solos mucha rigidez.
Bipolar plate junto con electrodo

Bipolar plate (gris) junto con la posición que ocuparía el electrodo pertinente (negro). Por el interiro de los canales circula, por ejemplo, el hidrógeno que alimenta el electrodo.

Además del trazado de los canales para suministrar los reactantes, el propio material de los bipolar plates es objeto de una gran investigación pues debe presentar unas determinadas características para cumplir con las funciones anteriores. Típicamente se ha empleado grafito para elaborar los bipolar plates dadas su excelente resistencia a la corrosión y su baja resistencia de contacto. Sin embargo, este material es muy difícil de mecanizar sobre todo a nivel industrial y para grandes partidas, tiene un elevado coste lo cual a la industria no le suele gustar y es quebradizo. El hecho de ser quebradizo limita mucho su uso, sobre todo en aplicaciones en que el stack se encuentre sometido a vibraciones y fuerzas de inercia. ¿Os suena esto último de algo? ¿A un coche?, por ejemplo. Asimismo, el grafito presenta una baja resistencia estructural, vamos que no hacemos vida con él. Por eso se están investigando otras opciones, como el uso de metales y aleaciones metálicas o materiales compuestos que emplean rellenos conductores. Pero eso es harina de otro costal y daría y dará para una entrada futura.

Bipolar plate con electrodo y junta de nylon

Bipolar plate con el electrodo y una junta para evitar fugas y el contacto eléctrico entre los bipolar plates. A continuación se situaría la membrana y el electrodo opuesto, luego se dispondría otro bipolar plate. Los cuatro agujeros que son pasantes en todos los bipolar plates sirven como conducciones de entrada y salida de reactantes a lo largo de todo el stack.

Los bipolar plates son uno de los elementos más importantes de las pilas de combustible pues constituyen casi todo su volumen, entre el 70% y el 80% de su peso y en torno al 45% de su coste. Su diseño es por tanto primordial, desde la elección del material hasta la configuración de canales elegida que puede mejorar la distribución de reactantes pero reducir el área de contacto con el electrodo disminuyendo sus cualidades eléctricas. Al final, como ocurre muchas veces en ingeniería, y esta no es menos, se trata de alcanzar una solución de compromiso.

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