Piastre bipolari: la "spina dorsale" e le "autostrade" delle celle a combustibile

Nel complesso e intricato mondo interno di un cella a combustibile, se l'assemblaggio dell'elettrodo a membrana è il "cuore" responsabile della generazione di energia, allora il piastra bipolare è la "spina dorsale" che sostiene l'intera struttura della batteria e l'"autostrada" che garantisce il flusso regolare degli elementi vitali.

Questo componente apparentemente semplice è, in realtà, fondamentale per determinare la potenza erogata, l'efficienza e la durata della pila di celle a combustibile. Non è solo una parte strutturale, ma un componente fondamentale che integra molteplici funzioni come la distribuzione del campo di flusso, la conduzione elettrica e la conduzione del calore. Dal punto di vista dei materiali, lo sviluppo delle piastre bipolari ha attraversato fasi distinte, ciascuna con i suoi chiari vantaggi e svantaggi. Il primo materiale ampiamente utilizzato è stata la grafite. La grafite offre un'eccellente conduttività elettrica e un'eccezionale resistenza alla corrosione, rendendola perfettamente adatta a resistere alle sfide a lungo termine dell'ambiente acido all'interno di una cella a combustibile.

Tuttavia, la loro intrinseca fragilità rende le piastre bipolari in grafite soggette a danni durante la lavorazione e l'assemblaggio. Inoltre, per ottenere una sufficiente tenuta ai gas, spesso devono essere realizzate con uno spessore relativamente elevato, il che limita la densità di potenza volumetrica della pila di celle a combustibile. Per superare questi inconvenienti, sono emerse le piastre bipolari metalliche, principalmente realizzate in acciaio inossidabile o leghe di titanio. Il principale vantaggio delle piastre bipolari metalliche risiede nella loro elevata resistenza meccanica e nell'eccezionale conduttività elettrica e termica, che consentono di realizzarle estremamente sottili, rendendo così la pila di celle a combustibile più compatta e ottenendo una maggiore densità di potenza. Tuttavia, i metalli devono affrontare gravi problemi di corrosione nell'ambiente operativo delle celle a combustibile. Una volta corrosi, non solo la resistenza di contatto aumenta, riducendo l'efficienza, ma la lisciviazione degli ioni metallici può anche avvelenare il catalizzatore.

Pertanto, è necessario applicare alla superficie un rivestimento resistente alla corrosione, come oro, platino o un rivestimento a base di carbonio, il che aumenta indubbiamente i costi di produzione e la complessità del processo. Negli ultimi anni, le piastre bipolari in materiale composito sono diventate una nuova direzione di ricerca. Queste sono tipicamente realizzate mescolando cariche conduttive come grafite o nerofumo con resine polimeriche (come il polipropilene) e formate tramite stampaggio a iniezione. Combinano la resistenza alla corrosione della grafite con la stampabilità della plastica, facilitando la produzione in serie e offrendo vantaggi in termini di leggerezza. Tuttavia, la loro conduttività elettrica e resistenza meccanica sono generalmente intermedie tra la grafite e il metallo, rappresentando un importante compromesso nella tecnologia attuale. La modalità operativa di una piastra bipolare è un paradigma di multitasking parallelo e le sue funzioni possono essere riassunte in tre aspetti. La funzione principale è quella di convogliare i gas reagenti. Attraverso canali di flusso lavorati con precisione su un lato, simili a "autostrade" in miniatura, fornisce uniformemente idrogeno allo strato catalizzatore dell'anodo e ossidante (ossigeno dall'aria) allo strato catalizzatore del catodo, garantendo che l'intera area di reazione partecipi in modo efficiente alla generazione di energia. Allo stesso tempo, la progettazione di questi canali di flusso è altamente scientifica: devono garantire una distribuzione uniforme del gas, evitare zone morte e rimuovere efficacemente l'acqua prodotta dalla reazione per prevenire "allagamenti" che potrebbero ostruire i canali. La seconda funzione fondamentale è quella di raccogliere e condurre la corrente elettrica. La piastra bipolare agisce come un collettore di corrente, raccogliendo la corrente elettrica generata da ciascun gruppo di elettrodi a membrana (singola cella) e collegando in serie le celle grazie alla sua natura altamente conduttiva, producendo infine la tensione e la potenza richieste. La conduttività elettrica del suo materiale determina direttamente le perdite di resistenza interna in questo processo. Il terzo ruolo chiave è la dissipazione del calore e la gestione dell'acqua.

La reazione della cella a combustibile genera calore; la piastra bipolare, che funge da percorso di conduzione termica, deve rimuovere tempestivamente questo calore per mantenere la pila entro un intervallo di temperatura operativo adeguato. Nel frattempo, l'acqua generata al catodo viene parzialmente rimossa dal flusso d'aria in eccesso, e la progettazione del campo di flusso e il trattamento idrofilo/idrofobico della piastra bipolare sono cruciali per l'efficace rimozione di quest'acqua. Pertanto, le prestazioni della piastra bipolare determinano direttamente l'efficienza complessiva della pila a combustibile.

Una piastra bipolare ideale deve raggiungere l'equilibrio ottimale tra conduttività e resistenza alla corrosione, robustezza e sottigliezza, flusso di gas e gestione dell'acqua, costi di produzione e durata utile. Che sia realizzata in grafite, metallo o materiali compositi, l'obiettivo di sviluppo rimane lo stesso: supportare le più ampie prospettive di commercializzazione delle celle a combustibile con costi inferiori e prestazioni più affidabili. Si può affermare che ogni progresso nella tecnologia delle piastre bipolari rappresenta un passo significativo verso l'adozione diffusa delle celle a combustibile.