Plăci bipolare: „coloana vertebrală” și „autostrăzile” pilelor de combustie

În lumea interioară complexă și intricată a unui pilă de combustie, dacă ansamblul electrodului cu membrană este „inima” responsabilă de generarea energiei, atunci placă bipolară este „coloana vertebrală” care susține întreaga structură a bateriei și „autostrada” care asigură fluxul lin al elementelor care susțin viața.

Această componentă aparent simplă este, de fapt, esențială în determinarea puterii de ieșire, a eficienței și a duratei de viață a stivei de pile de combustie. Nu este doar o parte structurală, ci o componentă centrală care integrează multiple funcții, cum ar fi distribuția câmpului de curgere, conducția electrică și conducția termică. Din perspectiva materialelor, dezvoltarea plăcilor bipolare a trecut prin etape distincte, fiecare cu propriile avantaje și dezavantaje clare. Cel mai vechi material utilizat pe scară largă a fost grafitul. Grafitul oferă o conductivitate electrică excelentă și o rezistență remarcabilă la coroziune, ceea ce îl face perfect potrivit pentru a rezista provocărilor pe termen lung ale mediului acid din interiorul unei pile de combustie.

Cu toate acestea, fragilitatea sa inerentă face ca plăcile bipolare de grafit să fie predispuse la deteriorare în timpul procesării și asamblării. Mai mult, pentru a obține o etanșeitate suficientă la gaze, acestea trebuie adesea realizate relativ groase, ceea ce limitează densitatea de putere volumetrică a stivei de pile de combustie. Pentru a depăși aceste dezavantaje, au apărut plăci bipolare metalice, folosind în principal oțel inoxidabil sau aliaje de titan. Cel mai mare avantaj al plăcilor bipolare metalice constă în rezistența lor mecanică ridicată și conductivitatea electrică și termică excepțională, permițându-le să fie realizate extrem de subțiri, făcând astfel stiva de pile de combustie mai compactă și atingând o densitate de putere mai mare. Cu toate acestea, metalele se confruntă cu provocări severe de coroziune în mediul operațional al pilelor de combustie. Odată corodate, nu numai că rezistența de contact crește, reducând eficiența, dar și levigarea ionilor metalici poate otrăvi catalizatorul.

Prin urmare, pe suprafață trebuie aplicat un strat rezistent la coroziune, cum ar fi aurul, platina sau un strat pe bază de carbon, ceea ce, fără îndoială, crește costurile de fabricație și complexitatea procesului. În ultimii ani, plăcile bipolare din materiale compozite au devenit o nouă direcție de cercetare. Acestea sunt de obicei realizate prin amestecarea materialelor de umplutură conductive precum grafitul sau negrul de fum cu rășini polimerice (cum ar fi polipropilena) și formate prin turnare prin injecție. Acestea combină rezistența la coroziune a grafitului cu matrițabilitatea materialelor plastice, facilitând producția de masă și oferind avantaje în ceea ce privește greutatea redusă. Cu toate acestea, conductivitatea lor electrică și rezistența mecanică sunt în general intermediare între grafit și metal, reprezentând un compromis important în tehnologia actuală. Modul de funcționare al unei plăci bipolare este o paradigmă a multitasking-ului paralel, iar funcțiile sale pot fi rezumate în trei aspecte. Funcția principală este de a canaliza gazele reactante. Prin canale de curgere prelucrate cu precizie pe o parte, asemănătoare unor „autostrăzi” miniaturale, aceasta livrează uniform combustibil hidrogen către stratul de catalizator anodic și oxidant (oxigen din aer) către stratul de catalizator catodic, asigurând că întreaga zonă de reacție participă eficient la generarea de energie. Simultan, proiectarea acestor canale de curgere este extrem de științifică: acestea trebuie să asigure o distribuție uniformă a gazelor, să evite zonele inactive și, de asemenea, să elimine eficient apa produsă de reacție pentru a preveni „inundațiile” care ar putea bloca canalele. A doua funcție principală este de a colecta și conduce curentul electric. Placa bipolară acționează ca un colector de curent, colectând curentul electric generat de fiecare ansamblu de electrozi cu membrană (celulă unică) și conectând în serie celulele prin propria sa natură extrem de conductivă, generând în cele din urmă tensiunea și puterea necesare. Conductivitatea electrică a materialului său determină direct pierderile de rezistență internă în acest proces. Al treilea rol cheie este disiparea căldurii și gestionarea apei.

Reacția celulei de combustie generează căldură; placa bipolară, care servește drept cale de conducție termică, trebuie să elimine prompt această căldură pentru a menține stiva într-un interval de temperatură de funcționare adecvat. Între timp, apa generată la catod este parțial îndepărtată de excesul de curent de aer, iar designul câmpului de curgere și tratamentul hidrofil/hidrofob al plăcii bipolare sunt cruciale pentru îndepărtarea eficientă a acestei apei. Prin urmare, performanța plăcii bipolare determină direct eficiența generală a stivei de celule de combustie.

O placă bipolară ideală trebuie să atingă echilibrul optim între conductivitate și rezistență la coroziune, rezistență și grosime, gestionarea fluxului de gaz și a apei, costul de fabricație și durata de viață. Indiferent dacă este fabricată din grafit, metal sau materiale compozite, obiectivul de dezvoltare rămâne același: susținerea perspectivelor mai largi de comercializare a pilelor de combustie cu costuri mai mici și performanțe mai fiabile. Se poate spune că fiecare progres în tehnologia plăcilor bipolare este un pas semnificativ către adoptarea pe scară largă a pilelor de combustie.