Electrodo de difusión de gas

Los electrodos de difusión de gas ( GDE ) son electrodos con una interfaz conjunta de sólido, líquido y gaseoso, y un catalizador conductor eléctrico que soporta una reacción electroquímica entre la fase líquida y la fase gaseosa. ^{[ 1 ]}

En las pilas de combustible , los electrodos de difusión de gas (GDE) permiten la reacción del oxígeno y el hidrógeno para formar agua, convirtiendo simultáneamente la energía del enlace químico en energía eléctrica . Generalmente, el catalizador se fija en una lámina porosa para que el líquido y el gas puedan interactuar. Además de estas características de humectación , el electrodo de difusión de gas debe ofrecer una conductividad eléctrica óptima para permitir el transporte de electrones con baja resistencia óhmica .

Un requisito previo importante para el funcionamiento de los GDE es que tanto la fase líquida como la gaseosa coexistan en el sistema de poros de los electrodos, lo cual se puede demostrar con la ecuación de Young-Laplace :

${\displaystyle p={\frac {2\ \gamma \cos \theta }{r}}}$

La presión del gas p está relacionada con el líquido en el sistema de poros sobre el radio del poro r , la tensión superficial γ del líquido y el ángulo de contacto θ. Esta ecuación debe tomarse como guía para la determinación, ya que hay demasiados parámetros desconocidos o difíciles de obtener. 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 la plata es difícil de medir. 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. Así, para crear un área de electrodo para líquido y gas, se puede elegir la trayectoria 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:

1. capa superior de material de grano fino
2. capa de diferentes grupos
3. capa de distribución de gas de material de grano grueso

La mayoría de los electrodos fabricados entre 1950 y 1970 mediante el método de sinterización se destinaban 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 debían ser muy finas y sin defectos. El precio de venta era demasiado elevado y la producción de electrodos no era viable de forma continua.

Principio de funcionamiento

El principio de difusión de gases se ilustra en este diagrama. La denominada capa de distribución de gas se encuentra en el centro del electrodo. Con una presión de gas baja, el electrolito se desplaza de este sistema de poros. Una pequeña resistencia al flujo asegura que el gas pueda circular libremente dentro del electrodo. A una presión de gas ligeramente mayor, el electrolito en el sistema de poros se restringe a la capa de trabajo. La capa superficial tiene poros tan finos que, incluso cuando la presión alcanza su máximo, el gas no puede fluir a través del electrodo hacia el electrolito. Estos electrodos se producían mediante dispersión y posterior sinterización o prensado en caliente . Para producir electrodos multicapa, se dispersaba un material de grano fino en un molde y se alisaba. Luego, se aplicaban los demás materiales en múltiples capas y se sometían a presión. La producción no solo era propensa a errores, sino también lenta y difícil de automatizar.

Desde aproximadamente 1970, los PTFE se utilizan para producir electrodos con propiedades tanto hidrofílicas como hidrofóbicas , además de ser químicamente estables y poder usarse como aglutinantes. Esto significa que, en zonas con una alta proporción de PTFE, ningún electrolito puede penetrar el sistema de poros y viceversa. En ese caso, el catalizador en sí debe ser no hidrofóbico. ^{[ 2 ]}

En electrolitos ácidos, los catalizadores suelen ser metales preciosos como platino , rutenio , iridio y rodio . En electrolitos alcalinos, como las baterías de zinc-aire y las pilas de combustible alcalinas , se suelen utilizar catalizadores menos costosos como carbono , manganeso , plata , espuma de níquel o malla de níquel .

En un principio se utilizaron 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 a otros procesos como:

• Batería de zinc-aire desde 1980
• Batería de níquel-metal hidruro desde 1990
• Producción de cloro por electrólisis de ácido clorhídrico residual ^{[ 4 ]}
• Proceso cloroalcalino ^{[ 5 ]}
• Reducción electroquímica del dióxido de carbono

El GDE se produce en todos los niveles. No solo se utiliza en empresas de investigación y desarrollo, sino también en grandes compañías para la fabricación de conjuntos de electrodos de membrana (MEA), que generalmente se emplean en pilas de combustible o baterías. Entre las empresas especializadas en la producción a gran escala de GDE se encuentran Johnson Matthey, Gore y Gaskatel . Sin embargo, existen muchas empresas que fabrican GDE a medida o en pequeñas cantidades, lo que permite evaluar diferentes formas, catalizadores y cargas, como FuelCellStore, FuelCellsEtc y muchas otras.

• membrana de intercambio aniónico
• celda de concentración
• Potencial del electrodo
• Glosario de términos de pilas de combustible
• Número de transporte de iones
• Electrodo selectivo de iones
• Potencial de unión líquida