Los electrodos de difusión de gas ( GDE ) son electrodos con una conjunción de una interfaz sólida, líquida y gaseosa, y un catalizador conductor eléctrico que soporta una reacción electroquímica entre la fase líquida y la gaseosa. [1]
Los GDE se utilizan en las pilas de combustible , donde el oxígeno y el hidrógeno reaccionan en los electrodos de difusión de gas para formar agua, al tiempo que convierten la energía del enlace químico en energía eléctrica . Normalmente, el catalizador se fija en una lámina porosa, de modo que el líquido y el gas puedan interactuar. Además de estas características de humectación , el electrodo de difusión de gas debe, por supuesto, ofrecer una conductividad eléctrica óptima , para permitir un transporte de electrones con baja resistencia óhmica .
Un requisito previo importante para el funcionamiento de los electrodos de difusión de gas es que tanto la fase líquida como la gaseosa coexistan en el sistema de poros de los electrodos, lo que se puede demostrar con la ecuación de Young-Laplace :
La presión del gas p está en relación con el líquido en el sistema de poros sobre el radio de poro r , la tensión superficial γ del líquido y el ángulo de contacto θ. Esta ecuación debe tomarse como guía para la determinación porque hay demasiados parámetros desconocidos o difíciles de lograr. Cuando se considera la tensión superficial, debe tenerse en cuenta la diferencia de tensión superficial entre el sólido y el líquido. Pero la tensión superficial de catalizadores como el platino sobre carbono o plata es difícilmente medible. El ángulo de contacto en una superficie plana se puede determinar con un microscopio . Sin embargo, no se puede examinar un solo poro, por lo que es necesario determinar el sistema de poros de un electrodo completo. Por lo tanto, para crear un área de electrodo para líquido y gas, se puede elegir la ruta para crear diferentes radios de poro r, o para crear diferentes ángulos de humectación θ.
En esta imagen de un electrodo sinterizado se puede observar que se utilizaron tres tamaños de grano diferentes. Las diferentes capas fueron:
La mayoría de los electrodos que se fabricaron entre 1950 y 1970 con el método de sinterización se destinaron a pilas de combustible. Este tipo de producción se abandonó por razones económicas, ya que los electrodos eran gruesos y pesados, con un espesor común de 2 mm, mientras que las capas individuales tenían que ser muy finas y sin defectos. El precio de venta era demasiado alto y los electrodos no podían fabricarse de forma continua.
El principio de difusión de gas se ilustra en este diagrama. La llamada capa de distribución de gas se encuentra en el centro del electrodo. Con solo una pequeña presión de gas, el electrolito se desplaza de este sistema de poros. Una pequeña resistencia al flujo garantiza que el gas pueda fluir libremente dentro del electrodo. Con una presión de gas ligeramente más alta, el electrolito en el sistema de poros se limita a la capa de trabajo. La capa superficial en sí tiene poros tan finos que, incluso cuando la presión alcanza su punto máximo, el gas no puede fluir a través del electrodo hacia el electrolito. Estos electrodos se produjeron mediante dispersión y posterior sinterización o prensado en caliente . Para producir electrodos multicapa, se esparció un material de grano fino en un molde y se alisó. Luego, los otros materiales se aplicaron en varias capas y se sometieron a presión. La producción no solo era propensa a errores, sino que también requería mucho tiempo y era difícil de automatizar.
Desde aproximadamente 1970, los PTFE se utilizan para producir un electrodo que tiene propiedades hidrofílicas e hidrofóbicas, al mismo tiempo que es químicamente estable y que puede usarse como aglutinante. Esto significa que, en lugares con una alta proporción de PTFE, ningún electrolito puede penetrar el sistema de poros y viceversa. En ese caso, el catalizador en sí mismo debería ser no hidrofóbico. [2]
Existen dos variantes técnicas para producir mezclas catalizadoras de PTFE:
La vía de dispersión se elige principalmente para electrodos con electrolitos poliméricos , como se ha introducido con éxito en la célula de combustible de membrana de intercambio de protones (célula de combustible PEM) y en la electrólisis de membrana de intercambio de protones (PEM) o de ácido clorhídrico (HCL) . Cuando se utiliza en electrolito líquido , es más apropiado un proceso seco.
Además, en la vía de dispersión (mediante evaporación de agua y sinterización de los PTFE a 340 °C) se omite el prensado mecánico y los electrodos producidos son muy porosos. Con métodos de secado rápido, pueden formarse grietas en los electrodos que pueden ser penetradas por el electrolito líquido. Para aplicaciones con electrolitos líquidos, como la batería de zinc-aire o la pila de combustible alcalina, se utiliza el método de mezcla seca.
En electrolitos ácidos los catalizadores suelen ser metales preciosos como platino , rutenio , iridio y rodio . En electrolitos alcalinos, como baterías de zinc-aire y pilas de combustible alcalinas , es habitual utilizar catalizadores menos costosos como carbono , manganeso , plata , espuma de níquel o malla de níquel .
Al principio, se utilizaban electrodos sólidos en la celda Grove . Francis Thomas Bacon fue el primero en utilizar electrodos de difusión de gas para la celda de combustible Bacon [3] , convirtiendo hidrógeno y oxígeno a alta temperatura en electricidad. Con el paso de los años, los electrodos de difusión de gas se han adaptado para varios otros procesos, como:
El GDE se produce en todos los niveles. No solo se utiliza en empresas de investigación y desarrollo, sino también en empresas más grandes en la producción de un conjunto de electrodos de membrana (MEA) que, en la mayoría de los casos, se utiliza en aparatos de pilas de combustible o baterías. Las empresas que se especializan en la producción de GDE en grandes cantidades incluyen a Johnson Matthey, Gore y Gaskatel. Sin embargo, hay muchas empresas que producen GDE a medida o en pequeñas cantidades, lo que permite evaluar también diferentes formas, catalizadores y cargas, entre las que se incluyen FuelCellStore, FuelCellsEtc y muchas otras.
