Básicamente, una pila de combustible es un dispositivo que convierte directamente la energía química en energía eléctrica. No requiere de una carga adicional. Mientras se repongan continuamente el combustible y el oxidante, puede seguir funcionando y generando electricidad. El combustible y el oxidante suplementados no experimentan una reacción de combustión, sino una reacción electroquímica entre el combustible y el oxidante para generar corriente eléctrica.
Por lo tanto, una reacción electroquímica de este tipo va acompañada de una transferencia de carga debido a reacciones químicas. Los electrones y los iones completan la transferencia de carga a través de diferentes vías de reacción. Durante el proceso de reacción de la pila de combustible, el combustible y el oxidante no pueden mezclarse, sino que entran en la pila de combustible por separado y reaccionan individualmente en el ánodo y el cátodo de la batería.
El combustible genera electrones tras una reacción electroquímica. Los electrones fluyen hacia el otro electrodo a través del electrodo y el circuito externo para reaccionar con el oxidante. Después de que el oxidante acepta los electrones, reacciona y conduce iones a través del electrolito de la batería, formando un circuito para el funcionamiento de los electrones.
La unidad central de una pila de combustible general se compone de tres componentes básicos: un ánodo, un cátodo y el electrolito entre los dos electrodos. Normalmente se utiliza hidrógeno como combustible y oxígeno como oxidante. El combustible se oxida en el ánodo y el oxígeno se reduce en el cátodo. Las pilas de combustible se componen de estas unidades centrales conectadas en serie para formar un paquete de baterías de mayor tamaño, o denominado pila de baterías.
Generalmente, el oxidante puede ser el oxígeno del aire, y los iones de hidrógeno y los electrones utilizados como combustible provienen del ánodo, y el electrolito conduce los iones de hidrógeno. Una vez que los iones de hidrógeno se producen en el ánodo, llegan al cátodo a través del electrolito. Una vez que los electrones se producen en el ánodo, ingresan a los elementos eléctricos utilizados a través del circuito fuera de la batería y luego regresan al cátodo de la batería a través del otro extremo del circuito eléctrico. Cuando los electrones fluyen a través del aparato eléctrico cargado, el aparato eléctrico puede funcionar, como la generación de energía, los automóviles, los aviones y el funcionamiento del motor.
Entre el ánodo y el cátodo hay un electrolito que se puede utilizar para conducir iones. En general, las pilas de combustible se pueden clasificar en pilas de combustible alcalinas, pilas de combustible de ácido fosfórico, pilas de combustible de sales fundidas de carbonato, pilas de combustible de óxido sólido, pilas de combustible de membrana de intercambio de protones y pilas de combustible directas debido a los diferentes iones que se conducen en el electrolito o a las diferentes temperaturas de funcionamiento. Seis tipos, incluidas las pilas de combustible de metanol.
La velocidad de reacción electroquímica del combustible y el oxidante en la pila de combustible es muy baja y debe acelerarse mediante un catalizador, por lo que se requieren un catalizador de ánodo y un catalizador de cátodo. Si tomamos como ejemplo las pilas de combustible con electrolito de polímero, el principal mecanismo de generación de energía proviene del conjunto de membrana y electrodo (MEA), que a menudo se denomina el corazón de la pila de combustible. Básicamente, el grupo de membranas de electrodos tiene una estructura de cinco capas, con una membrana de polímero que conduce iones de hidrógeno en el centro, una capa de catalizador de ánodo y una capa de catalizador de cátodo en ambos lados, y la capa de difusión de gas más externa (a menudo dividida en capa de difusión de gas combustible y capa de difusión de oxígeno).
La estructura de la capa de catalizador es bastante compleja y diversa. Dado que aquí se producen los cambios electroquímicos más importantes, si la capa de catalizador está mal diseñada o fabricada, la pila de combustible no podrá generar suficiente corriente y se reducirá la eficiencia. La capa de catalizador está intercalada entre la membrana de polímero y la capa de difusión de gas. El método de fabricación consiste en mezclar uniformemente una cantidad adecuada de catalizador y la solución de la membrana de polímero. Esta solución mixta se denomina suspensión de catalizador. La suspensión mixta se puede aplicar sobre la capa de difusión de gas o sobre la membrana de polímero. Sin embargo, la membrana de polímero absorbe fácilmente el disolvente de la suspensión mixta y se deforma, lo que a menudo provoca dificultades de fabricación.
Ahora, utilicemos la capa catalizadora de oxígeno para ilustrar cómo se desarrolla la reacción. Cuando el oxígeno entra en la celda de combustible, primero debe dispersarse para llegar a la capa catalizadora de manera uniforme. Generalmente, el material que constituye la capa de difusión de gas es tela de carbono o papel de carbono, que debe grafitizarse a alta temperatura para que sea conductor y aumente la resistencia a la corrosión, ya que los materiales de carbono se corroen fácilmente bajo la influencia de los campos eléctricos.
Además, la capa de difusión de gas también debe ser hidrófoba. Si se agrega politetrafluoroetileno (PTFE, también conocido como teflón) a la capa de difusión de gas, debido a las propiedades hidrófobas del teflón, el vapor de agua que entra y sale del grupo de membranas del electrodo no se condensará en la capa de difusión de gas, lo que puede evitar que las gotas de agua condensada provoquen obstrucciones en la capa de difusión de gas. Por otro lado, el teflón también funciona como aglutinante. Debido a la estabilidad de su estructura de fluorocarbono, no se desintegrará debido al ataque de los radicales libres generados durante el funcionamiento del potencial.
El gas de reacción llega a la capa de catalizador después de pasar a través de la capa de difusión de gas, y se producen reacciones electroquímicas en la superficie del metal catalizador. Otra función de la capa de difusión de gas es conducir electrones. Los electrones necesarios para la reacción utilizan la capa de difusión de gas para entrar y salir, por lo que la capa de difusión de gas debe ser capaz de conducir electrones y tener alta conductividad. Generalmente, después de agregar teflón a la capa de difusión de gas, la conductividad disminuirá, por lo que se debe agregar polvo de carbono con alta conductividad para aumentar la conductividad.
La superficie del catalizador debe estar en contacto con el electrolito (es decir, la membrana conductora de protones) porque la reacción electroquímica ocurre en la interfaz entre los dos. Los iones de hidrógeno necesarios para la reacción son transferidos todos por el electrolito, por lo que un mal contacto entre el catalizador y el electrolito afectará negativamente el progreso de la reacción. Si el catalizador no está en contacto con el electrolito, su función desaparecerá. Los electrones necesarios para la reacción entran y salen todos a través del catalizador. Sin embargo, la mala conductividad del propio catalizador o el mal contacto entre las partículas del catalizador también provocarán resistencia a la entrada y salida de electrones. Todos los factores anteriores provocan un aumento de la resistencia dentro del grupo de membranas de electrodos y reducen la potencia de salida de la batería.
Cuando se utilizan en pilas de combustible, los catalizadores de electrodos suelen tener una alta actividad catalítica, alta conductividad, alta estabilidad electroquímica, resistencia a la oxidación o reducción, bajo precio y fuentes abundantes. El platino es caro y debe utilizarse lo menos posible. Sin embargo, una cantidad demasiado pequeña también afectará el progreso de la reacción. Los materiales catalizadores alternativos también son uno de los focos de la investigación y el desarrollo actuales. El catalizador de electrodos es el material funcional más importante en la estructura de la membrana del electrodo y su función principal es catalizar la reacción electroquímica.
En el ánodo, las moléculas de hidrógeno se oxidan en electrones y protones. Si se alimenta metanol directamente, la reacción será más complicada y debe estar compuesta por un catalizador de electrodos que no esté ocupado por los productos fuertemente adsorbidos de la reacción de oxidación del metanol en la superficie de reacción, como aleaciones y óxidos para catalizar continuamente las moléculas de metanol y agua para producir electrones, protones y dióxido de carbono.
El cátodo requiere un catalizador que pueda reducir el oxígeno. Los complejos metálicos macrocíclicos que pueden adsorber moléculas de oxígeno se utilizan generalmente como catalizadores de electrodos. La adsorción superficial de moléculas de oxígeno es la condición catalítica para la reacción electroquímica de reducción de oxígeno. El catalizador necesita un aglutinante polimérico para unirse a la capa de catalizador. Este aglutinante también puede ser un electrolito polimérico, que no solo tiene la función de unir el catalizador, sino que también es una forma de transportar iones de hidrógeno. Tomando el cátodo de oxígeno como ejemplo, cuando la reacción se desarrolla en la superficie del catalizador, se requiere la presencia de oxígeno. Este oxígeno no es un gas, sino oxígeno disuelto en el electrolito, y los iones de hidrógeno también llegan a la superficie del catalizador a través del electrolito, y los electrones llegan a la superficie del catalizador a través del contacto entre la capa de difusión de gas y la capa de catalizador. Entre ellos, el oxígeno disuelto, los iones de hidrógeno y los electrones son indispensables, y la reacción no puede continuar sin uno de ellos.
Por otra parte, el agua producida por la reacción no puede permanecer en la superficie del catalizador. El agua producida debe eliminarse inmediatamente para dejar espacio para que los reactivos se depositen nuevamente en la superficie del catalizador. La salida de los productos también es uno de los factores que afectan la velocidad de la reacción. 1. El producto de la pila de combustible es agua, por lo que la forma de eliminar rápidamente el agua de la pila de combustible es una cuestión importante.
En el caso de las pilas de combustible con electrolito polimérico que utilizan hidrógeno como fuente de alimentación, el núcleo de un buen funcionamiento de la pila de combustible requiere la existencia de cuatro vías, a saber, canales de iones de hidrógeno, canales de oxígeno disuelto, canales de electrones y canales de agua. Si estas vías son ineficaces, se reducirá la eficiencia de generación de energía. Por lo tanto, la fabricación de pilas de membranas de electrodos sigue siendo un proceso técnico. Cada fabricante de pilas de combustible tiene su propio método de fabricación exclusivo para producir este componente clave.
La potencia de una pila de combustible está determinada por el tamaño del grupo de membranas de electrodos y la cantidad de grupos de membranas de electrodos en el paquete de baterías. La pila de membranas de electrodos es la unidad central de la pila de combustible de electrolito polimérico y un componente clave del rendimiento energético de la pila de pilas de combustible. Con un diseño de campo de flujo adecuado, la gestión del agua y las condiciones de funcionamiento de gestión térmica, se pueden formar pilas de combustible para diferentes propósitos.
Descripción técnica de la capa de difusión de gas
El material base de la estructura de la capa de difusión de gas de la celda de combustible de membrana de intercambio de protones es generalmente productos de fibra de carbono (Carbon-Fiber), como papel de carbono (Carbon Paper) y fibra tejida (Woven Fiber) o llamados paños de carbono (Carbon Cloths), utilizando fibra de carbono como gas. La ventaja del material de la capa de difusión es su estructura de alta porosidad y alta conductividad eléctrica.
La estructura de capas de difusión de gases de las pilas de combustible más utilizada es el papel de fibra de carbono. El proceso se denomina generalmente proceso de fabricación de papel. Durante el proceso, también se deben mejorar las propiedades de la materia prima, la conductividad y la estabilidad química del papel de carbono. El método consiste en utilizar papel de fibra de carbono como base, añadir materiales compuestos de carbono, mezclar y tratar térmicamente. En el proceso, también se pueden añadir materias primas intermedias adecuadas y se puede desarrollar el mismo papel de carbono con las características utilizadas.
Antes de la etapa de fabricación del papel carbón, las fibras de filamento continuo deben cortarse en segmentos cortos de fibra de entre 3 y 12 mm. El proceso después de formar los segmentos cortos de fibra se divide en 1. Fabricación del papel, 2. Impregnación con resina compuesta, 3. Formación mediante prensado térmico, 4. Tratamiento de carbonización y 5. Tratamiento de grafitización.
Los fabricantes de papel carbón que actualmente se pueden utilizar en capas de difusión de gas de celdas de combustible incluyen TORAY, SGL, Ballard, Avcarb, China Taiwan Carbon Energy y otras empresas. El método general de producción de la capa microporosa (MPL) es usar primero un oscilador ultrasónico para mezclar y agitar estos componentes, y finalmente hacer una suspensión líquida (tinta), y luego usar tecnología de recubrimiento (como método de pulverización, método de rasqueta, método de serigrafía) La suspensión se recubre sobre la superficie del papel carbón, y luego la capa microporosa se puede obtener mediante sinterización a alta temperatura. Los fabricantes de papel carbón también proporcionan productos completos recubiertos con capas microporosas a los clientes. Las capas de difusión de gas (GDL) desempeñan muchos papeles y funciones en las celdas de combustible, como:
(1) Proporcionar canales de gas de reacción (H2, O2)
(2) Proporcionar un canal para que los productos de reacción (agua, calor) salgan de la capa de catalizador.
(3) Proporcionar canales de entrada y salida para los electrones de reacción electroquímica.
(4) Actúa como soporte estructural para la capa catalizadora y el cuerpo de la membrana de intercambio de protones.
De las características anteriores, se desprende que la capa de difusión de gas (GDL) debe tener propiedades como conductividad eléctrica, conductividad térmica, porosidad, permeabilidad al aire y propiedades hidrófilas/hidrófobas al mismo tiempo. En la actualidad, los únicos proveedores de materiales para capas de difusión de gas para celdas de combustible en el mundo son Toray, Ballard, Avcarb, SGL y Taiwan Carbon Energy. Sin embargo, el precio unitario es muy alto y la demanda suele ser escasa. Por lo tanto, si existe una tecnología innovadora, se pueden reducir los costos y lograr resultados económicos. Producir este material clave a gran escala vale la pena la inversión en esta tecnología.
La capa de difusión de gas es el componente principal de PEMFC y es un material componente importante del electrodo. Los materiales de la capa de difusión de gas que se utilizan comúnmente incluyen papel de fibra de carbono, tela tejida de fibra de carbono, tela no tejida y papel negro de carbono. Pero algunos también utilizan materiales metálicos, como níquel metálico de malla de esponja de metal plano.
El papel de fibra de carbono es un material de capa de difusión de gas muy utilizado en electrodos. Para poder utilizarse en PEMFC, debe cumplir los siguientes requisitos de rendimiento:
(1) Su estructura porosa uniforme le confiere una excelente transpirabilidad;
(2) Baja resistividad, lo que le confiere una alta conductividad electrónica;
(3) La estructura es compacta y la superficie es plana, lo que reduce la resistencia de contacto y mejora el rendimiento conductor;
(4) Tiene cierta resistencia mecánica, lo que es conveniente para la producción de electrodos y proporciona estabilidad a la estructura del electrodo en condiciones de funcionamiento a largo plazo;
(5) Tiene estabilidad química y estabilidad térmica; bajo costo de fabricación y alto valor CP.