La electrólisis PEM del agua separa agua en hidrógeno y oxígeno utilizando una membrana de intercambio protónico, normalmente Nafion, como electrolito. Es una de las tecnologías principales para producir hidrógeno verde a partir de electricidad renovable, y la capacidad instalada está creciendo con rapidez. Cada megavatio de capacidad PEM requiere varios componentes de titanio dentro del stack, muchos de ellos porosos. Este artículo explica cuáles son esos componentes, por qué el titanio suele ser imprescindible en el lado anódico y qué especificaciones resultan más relevantes.
¿Por qué titanio y no acero inoxidable?
Una celda PEM tiene dos lados separados por la membrana de intercambio protónico. El lado catódico, donde se genera el hidrógeno, trabaja en un entorno relativamente moderado con gas humidificado y potenciales menores. En esa zona, el acero inoxidable o ciertos materiales carbonosos pueden ser adecuados.
El lado anódico, donde se forma oxígeno, es mucho más severo. La membrana Nafion crea un medio fuertemente ácido, con un pH equivalente inferior a 1. Combinado con potenciales anódicos superiores a +1.8 V vs. RHE y oxígeno disuelto, esto provoca una corrosión agresiva en la mayoría de los metales. Incluso el 316L puede disolverse en estas condiciones, permitiendo que hierro, níquel y cromo migren a la membrana y degraden la capa catalítica.
El titanio sobrevive en este entorno porque forma una capa pasiva TiO2 estable y autorreparable, mucho más resistente a la acidez y al potencial oxidante que la mayoría de los metales estructurales. Por ello, los componentes en contacto con el lado anódico de un electrolizador PEM, como la PTL, la placa de flujo y, en algunos diseños, la malla colectora, suelen fabricarse en titanio Grade 1 o Grade 2, aunque la velocidad real de corrosión sigue dependiendo del potencial, del recubrimiento, de la química del agua y del perfil operativo.
Componentes de titanio dentro del stack PEM
Capas de transporte poroso (PTL)
La capa de transporte poroso se sitúa directamente sobre la capa catalítica anódica. Tiene tres funciones: conducir electrones hacia la placa bipolar, distribuir agua de forma uniforme sobre toda la superficie activa y permitir la evacuación de burbujas de oxígeno sin bloquear el catalizador. Por eso es el componente poroso más crítico del stack.
Las PTL pueden fabricarse en polvo de titanio sinterizado o en fieltro de fibra de titanio, según el diseño. Las PTL de polvo sinterizado ofrecen mejor control de tamaño de poro y mayor rigidez mecánica. Las PTL de fieltro de fibra ofrecen mayor porosidad y mejor permeabilidad gaseosa. Ambas soluciones se utilizan a nivel comercial.
Especificaciones típicas de una PTL:
- Porosidad: 30-50% (polvo sinterizado) o 50-80% (fieltro de fibra)
- Tamaño medio de poro: 10-50 µm
- Espesor: 0.5-2.0 mm
- Material: titanio comercialmente puro Grade 1
- Tratamiento superficial: normalmente recubrimientos de platino o iridio para reducir la resistencia de contacto
La porosidad y el tamaño de poro influyen directamente en el rendimiento. Poros demasiado pequeños retienen burbujas de oxígeno sobre el catalizador y aumentan las pérdidas de transporte. Poros demasiado grandes reducen los puntos de contacto con la capa catalítica, elevando la resistencia eléctrica. Muchos desarrolladores trabajan con valores medios entre 15 y 30 µm.
FILTURE fabrica fieltro de fibra de titanio y placas porosas sinterizadas de titanio utilizadas como sustratos PTL en el desarrollo y producción de electrolizadores PEM.
Placas bipolares
Las placas bipolares separan celdas adyacentes del stack y conducen la corriente entre ellas. En el lado anódico deben además distribuir agua y evacuar oxígeno mediante canales mecanizados. Por tanto, deben ser eléctricamente conductoras, resistentes a la corrosión, estancas al gas y suficientemente robustas para soportar presiones de apriete del stack típicamente entre 1 y 3 MPa.
Las placas bipolares anódicas se mecanizan a partir de placas macizas de titanio, en Grade 2 o Grade 5 según la exigencia mecánica. Las geometrías de canal, ya sean paralelas, serpentinas o interdigitadas, se fresan por CNC. La planitud es crítica, normalmente en torno a 0.05 mm sobre la superficie activa, porque cualquier hueco entre PTL y placa incrementa de forma notable la resistencia de contacto.
Algunos fabricantes aplican recubrimientos de platino u oro, de aproximadamente 0.05-0.5 µm, para reducir la resistencia de contacto asociada a la capa natural de TiO2. Sin ese recubrimiento, el óxido semiconductor puede causar pérdidas óhmicas medibles, sobre todo a altas densidades de corriente.
Malla colectora de corriente
En algunos diseños de stack, se coloca una malla tejida de titanio entre la PTL y la placa bipolar para actuar como capa adicional de recogida y distribución de corriente. La malla ofrece una interfaz más flexible, capaz de absorber pequeñas variaciones de espesor en la PTL manteniendo el contacto eléctrico.
Especificaciones habituales para malla de electrólisis:
- Número de malla: 40-100 mesh (abertura 150-400 µm)
- Diámetro del hilo: 0.1-0.3 mm
- Material: titanio Grade 1
- Recubrimiento: normalmente platino de 0.05-0.2 µm para minimizar resistencia de contacto
FILTURE suministra mallas tejidas de titanio en los recuentos y diámetros de hilo habituales en estas aplicaciones.
Cómo la demanda de hidrógeno verde está cambiando los requisitos
El paso desde pequeños electrolizadores de laboratorio a stacks de varios megavatios con cientos de celdas y áreas activas superiores a 1000 cm² está cambiando las exigencias a los proveedores. Superficies activas mayores requieren láminas PTL más grandes, del orden de 500 mm × 500 mm o más, con porosidad y espesor uniformes en toda la pieza. Además, el cambio desde prototipos montados a mano a líneas semi-automatizadas exige tolerancias dimensionales más estrictas.
Los volúmenes también están creciendo. Un stack PEM de 1 MW puede contener aproximadamente entre 200 y 400 celdas. Cada una necesita una PTL, una placa bipolar, una malla colectora y juntas asociadas. Si se considera la cartera mundial de proyectos anunciados, la demanda de componentes porosos de titanio puede pasar de unos pocos kilogramos al año a varias toneladas al año incluso para un solo OEM.
Checklist de especificación para componentes de electrolizador
Si está comprando componentes porosos de titanio para desarrollo o producción de electrolizadores PEM, conviene definir:
- Grado del material (se prefiere Grade 1 por corrosión; Grade 2 también puede ser válido)
- Porosidad y distribución de tamaño de poro, con método de medición como porosimetría de mercurio o de flujo capilar
- Tolerancia de espesor, típicamente ±0.05 mm para PTL y ±0.02 mm para placas bipolares
- Rugosidad superficial, especialmente si afecta a la resistencia de contacto
- Dimensiones y tolerancia de planitud de la lámina o placa
- Requisitos de recubrimiento noble, como metal, espesor y zona cubierta
- Requisitos de limpieza, como ausencia de partículas y contaminación orgánica
FILTURE fabrica fieltro de fibra de titanio, placas porosas sinterizadas, malla tejida y componentes mecanizados de titanio para OEM de electrolizadores PEM e instituciones de investigación. Si está desarrollando o escalando un stack y necesita componentes porosos de titanio según especificación, contáctenos con sus requisitos.
