pila de combustible regenerativa unitaria

Las placas terminales y las placas bipolares proporcionan soporte mecánico, conducción eléctrica y distribución de gases reactivos y agua. Los materiales utilizados deben resistir la corrosión bajo altos voltajes; por lo tanto, se suelen emplear titanio (Ti) o aceros inoxidables y aleaciones metálicas resistentes a la corrosión. ^{[ 4 ]}

El campo de flujo guía los gases (H₂, O₂ o aire) hacia los electrodos, elimina los gases del producto y el agua líquida, y suministra agua a la interfaz de reacción durante la electrólisis. Durante el cambio de modo operativo (de electrólisis del agua (WE) a modo de pila de combustible (FC) y viceversa), la distribución del agua y la hidratación de la membrana cambian drásticamente. Por lo tanto, el diseño del campo de flujo debe equilibrar la eliminación de agua (para evitar inundaciones) y la retención de humedad (para prevenir la deshidratación de la membrana). ^{[ 4 ]}

Para lograr esto, se suelen utilizar microcanales, canales interdigitados o zonas de suministro segmentadas. La NASA demostró un sistema sin bomba que gestiona el vapor y el condensado mediante un tubo de calor en bucle y un secador regenerativo, lo que proporciona un enfoque alternativo para la gestión del agua y la energía térmica. ^{[ 1 ]}

La capa de difusión de gas ( GDL ) o la capa de transporte de protones ( PTL) conducen electrones, distribuyen los gases reactivos, eliminan o retienen el agua y proporcionan soporte mecánico a la capa catalítica. La celda de combustible reutilizable (URFC) presenta requisitos de humectabilidad contrastantes en sus dos modos de funcionamiento: durante la electrólisis (WE), la capa debe retener agua y resistir la corrosión oxidativa, mientras que durante el funcionamiento de la celda de combustible (FC), debe facilitar la eliminación de gases y evitar inundaciones.

El titanio (Ti) se usa comúnmente para la fabricación de PTL debido a su resistencia a la corrosión. Sin embargo, la hidrofilicidad del Ti puede dificultar el transporte de gas en el modo FC. Para solucionar esto, se emplean recubrimientos superficiales o diseños de PTL anfifílicos . ^{[ 3 ] [ 4 ]}

La capa catalítica proporciona sitios activos para reacciones redox: oxidación/reducción de hidrógeno ( HOR / ORR ) durante el funcionamiento de la celda de combustible y evolución de oxígeno/hidrógeno ( OER / HER ) durante la electrólisis. Un desafío importante en las URFC es el desarrollo de catalizadores bifuncionales que exhiban alta actividad y estabilidad a largo plazo en ambos modos operativos. Tradicionalmente, se utiliza platino (Pt) para HOR/HER e iridio u óxido de iridio (Ir/IrO₂) para OER. Aunque esta combinación de Pt/Ir sigue siendo la de referencia, es costosa y propensa a la degradación (oxidación y disolución) durante el cambio de modo. ^{[ 3 ] [ 4 ]}

Estudios recientes han explorado alternativas a los metales nobles, incluyendo metales de transición como cromo (Cr), hierro (Fe), cobalto (Co), níquel (Ni), cobre (Cu), tungsteno (W) y estaño (Sn), así como calcogenuros, carburos, nitruros y catalizadores derivados de estructuras de imidazolato zeolítico (ZIF). Sin embargo, en el entorno ácido de los sistemas PEM, la mayoría de estos materiales presentan una baja durabilidad —por ejemplo, los catalizadores a base de Fe se degradan debido a reacciones de Fenton— y muestran inestabilidad a altos potenciales de OER debido a la oxidación o corrosión del carbono. En consecuencia, los catalizadores de metales no preciosos aún presentan un rendimiento inferior al de los sistemas comerciales de Pt/Ir en las pruebas de ciclado de URFC. ^{[ 3 ]}

La estructura de la capa catalítica también influye notablemente en el rendimiento. Debe equilibrar el suministro de agua y la eliminación de burbujas durante la electrólisis, así como el transporte de gas y la prevención de inundaciones durante el funcionamiento de la pila de combustible. Las configuraciones comunes incluyen diseños mixtos, en capas (o tipo sándwich) y segmentados. En la configuración mixta, las partículas de Pt e IrO₂ se mezclan en una sola capa, lo que simplifica la fabricación pero conlleva el riesgo de interferencia mutua. El diseño en capas/sándwich coloca una capa de Pt entre capas de IrO₂, protegiendo el Pt de potenciales elevados y mejorando el rendimiento en modo FC, aunque la fabricación es más compleja. La estructura segmentada separa espacialmente diferentes catalizadores, reduciendo la interferencia pero disminuyendo el área activa efectiva. ^{[ 3 ]}

La membrana de intercambio protónico ( PEM ) conduce protones (H⁺), separa los gases hidrógeno y oxígeno, y mantiene el equilibrio de carga durante su funcionamiento. La membrana debe minimizar tanto el paso de gases (por seguridad y eficiencia) como la resistencia interna; esto implica un compromiso entre las membranas delgadas (<30 μm), que reducen las pérdidas óhmicas pero aumentan la permeación de hidrógeno, y las membranas gruesas (>120 μm), que reducen el paso de gases pero aumentan la resistencia. ^{[ 4 ]}

Las membranas Nafion (p. ej., NR-211, NR-212) son ampliamente utilizadas. Entre los desarrollos recientes se incluyen compuestos de Nafion que incorporan óxido de grafeno (GO) o polipirrol , y membranas basadas en Aquivion . Su rendimiento depende del peso equivalente (EW), la absorción de agua y el comportamiento de hinchamiento en operación de modo dual. Algunos estudios indican que Nafion NR-212 proporciona una mayor durabilidad bajo ciclos de modo debido a una mejor hidratación y estabilidad mecánica. ^{[ 3 ]}