Capas de difusión de gases: Por qué los fieltros de fibra son la opción preferida

Las capas de difusión de gases (GDL) son elementos críticos en las pilas de combustible y los electrolizadores. Permiten el transporte eficaz de gases, electrones y líquidos entre los canales de flujo y el catalizador. Los fieltros de fibra son la opción preferida porque representan la combinación ideal de conductividad, porosidad y flexibilidad.

¿Qué son las capas de difusión de gases?

Lascapas de difusión de gas son materiales porosos que se colocan entre la capa de catalizador y el campo de flujo en los dispositivos electroquímicos. Su función principal es permitir el suministro uniforme de gases reactivos a la superficie del catalizador y la evacuación eficaz de los gases de producto. En las pilas de combustible, los GDL gestionan el transporte de hidrógeno y oxígeno para maximizar las reacciones electroquímicas y minimizar las pérdidas de concentración. En los electrolizadores, ayudan a evacuar eficazmente los gases de hidrógeno y oxígeno generados en los electrodos.

Además del transporte de gases, los GDL también proporcionan soporte mecánico a la capa catalizadora y participan en la gestión del agua. La distribución uniforme del agua evita que el catalizador se inunde o se seque, lo que puede reducir considerablemente su rendimiento. La conductividad eléctrica también es una función importante, ya que los GDL conducen electrones entre el catalizador y los circuitos externos. Con tales exigencias, la elección del material de los GDL es esencial para la eficacia del dispositivo y su longevidad a largo plazo.

Fig. 1 Ilustración esquemática de la célula electrolizadora de hueco cero [1]

¿Qué son los fieltros de fibra?

Losfieltros de fibra son esteras no tejidas que se forman entrelazando fibras en una red muy porosa. Suelen estar hechos de carbono, que se caracteriza por su conductividad eléctrica y estabilidad química. Las fibras de un fieltro están orientadas aleatoriamente, formando una estructura tridimensional que ofrece vías interconectadas a gases y líquidos. La estructura difiere de la de las telas tejidas o los papeles de carbono e imparte una mayor porosidad y flexibilidad con una resistencia mecánica mantenida.

El proceso de producción de los fieltros de fibra une las fibras mediante calentamiento, presión o tratamientos con resina para crear esteras con un grosor, densidad y permeabilidad determinados. Los fieltros de carbono son excepcionalmente adecuados para entornos electroquímicos porque son inertes, resistentes a altas temperaturas y a la corrosión.

¿Por qué los fieltros de fibra son ideales para las capas de difusión de gases?

Los fieltros de fibra ofrecen un equilibrio de propiedades que los hace extremadamente apropiados para su uso como GDL. Una de las propiedades más importantes es que tienen una alta permeabilidad a los gases y porosidad, lo que permite que los gases reactivos se distribuyan uniformemente a la capa catalizadora, mientras que los gases de producto pueden expulsarse eficazmente. Esto permite minimizar la polarización de la concentración y aumentar la eficacia electroquímica.

Otra ventaja clave es la excelente conductividad eléctrica. Los fieltros de fibra de carbono ofrecen vías de baja resistencia para los electrones, lo que facilita la recogida y distribución eficaz de la corriente a través de la superficie del catalizador. La estabilidad química también es importante; los fieltros de fibra son resistentes a la corrosión y la degradación en entornos ácidos o alcalinos agresivos, habituales en pilas de combustible y electrolizadores.

La flexibilidad mecánica también es un factor importante. Los fieltros compuestos de fibras pueden comprimirse para que estén en estrecho contacto con el catalizador y el campo de flujo sin que se agrieten o degraden su integridad estructural. La compresibilidad tiene en cuenta la dilatación térmica y las tensiones mecánicas durante el funcionamiento para un rendimiento a largo plazo.

En las pilas de combustible, gestionan el agua. Distribuyen el agua uniformemente, evitan las inundaciones y proporcionan una hidratación óptima del catalizador. En los electrolizadores, permiten la liberación rápida de burbujas de hidrógeno y oxígeno con una acumulación mínima de burbujas, lo que hace posible un alto rendimiento a altas densidades de corriente.

¿Dónde utilizar fieltros de fibra para capas de difusión de gas?

Los fieltros de fibra se utilizan sobre todo en pilas de combustible y electrolizadores de agua, donde la gestión del agua y el transporte de gas son cruciales. En las pilas de combustible PEM, los fieltros de fibra se emplean como GDL para el suministro uniforme de hidrógeno y oxígeno a la capa catalizadora y para la salida libre de agua. En los electrolizadores alcalinos o PEM, los fieltros de fibra se emplean para liberar eficazmente las burbujas de hidrógeno y oxígeno de las superficies de los electrodos con el fin de facilitar el funcionamiento con alta densidad de corriente. Además de éstos, los fieltros de fibra se aplican en pilas de combustible regenerativas unitizadas, baterías de flujo redox y otros reactores electroquímicos en los que la distribución uniforme de gases y líquidos y la estabilidad química y mecánica son esenciales para un alto rendimiento.

Lista de materiales de fieltro de fibra

Los fieltros de fibra de titanio, níquel y acero inoxidable ofrecen ventajas distintas para las capas de difusión de gas. El fieltro de titanio es muy apreciado en electrolizadores PEM y pilas de combustible por su elevada porosidad, solidez y excelente resistencia a los entornos ácidos. Con un tamaño y una porosidad personalizables, garantiza un rendimiento estable y una liberación eficaz del gas incluso a altas densidades de corriente. El fieltro de níquel, conocido por su conductividad y resistencia a la corrosión alcalina, se utiliza ampliamente en el lado catódico de los electrolizadores alcalinos y en algunas pilas de combustible para promover la generación de hidrógeno. El fieltro de acero inoxidable, aunque menos resistente a la corrosión, combina durabilidad, resistencia al desgaste y menor coste, lo que lo convierte en una opción práctica para grandes electrolizadores y baterías de flujo en los que la resistencia mecánica es fundamental.

Conclusión

Las capas de difusión de gas contribuyen de forma significativa al rendimiento y la vida útil de las pilas de combustible y los electrolizadores. Entre los posibles materiales, los fieltros de fibra destacan por su elevada porosidad, conductividad eléctrica, estabilidad química y flexibilidad mecánica. Para más información sobre materiales avanzados, consulte Stanford Advanced Materials (SAM).

Referencias:

[1] Samu AA, Szenti I, Kukovecz Á, Endrődi B, Janáky C. Systematic screening of gas diffusion layers for high performance_CO2 electrolysis. Commun Chem. 2023 Feb 24;6(1):41. doi: 10.1038/s42004-023-00836-2. PMID: 36828885; PMCID: PMC9958001.