Placas bipolares: a "espinha dorsal" e as "estradas" das células de combustível.

No complexo e intrincado mundo interno de um célula de combustívelSe o conjunto de eletrodos de membrana for o "coração" responsável pela geração de energia, então... placa bipolar É a "espinha dorsal" que sustenta toda a estrutura da bateria e a "via" que garante o fluxo contínuo dos elementos vitais.

Este componente aparentemente simples é, na verdade, crucial para determinar a potência, a eficiência e a vida útil da pilha de células a combustível. Não se trata apenas de uma peça estrutural, mas de um componente central que integra múltiplas funções, como a distribuição do campo de fluxo, a condução elétrica e a condução térmica. Do ponto de vista dos materiais, o desenvolvimento das placas bipolares passou por distintas etapas, cada uma com suas próprias vantagens e desvantagens. O material mais utilizado inicialmente foi o grafite. O grafite oferece excelente condutividade elétrica e excepcional resistência à corrosão, tornando-o perfeitamente adequado para suportar os desafios de longo prazo do ambiente ácido dentro de uma célula a combustível.

No entanto, sua fragilidade inerente torna as placas bipolares de grafite propensas a danos durante o processamento e a montagem. Além disso, para atingir uma estanqueidade suficiente, elas geralmente precisam ser relativamente espessas, o que limita a densidade de potência volumétrica da pilha de células a combustível. Para superar essas desvantagens, surgiram as placas bipolares metálicas, principalmente de aço inoxidável ou ligas de titânio. A maior vantagem das placas bipolares metálicas reside em sua alta resistência mecânica e excepcional condutividade elétrica e térmica, permitindo que sejam fabricadas em espessuras extremamente finas, tornando a pilha de células a combustível mais compacta e permitindo alcançar maior densidade de potência. Contudo, os metais enfrentam severos desafios de corrosão no ambiente operacional das células a combustível. Uma vez corroídos, não apenas a resistência de contato aumenta, reduzindo a eficiência, como também a lixiviação de íons metálicos pode envenenar o catalisador.

Portanto, um revestimento resistente à corrosão, como ouro, platina ou um revestimento à base de carbono, deve ser aplicado à superfície, o que, sem dúvida, aumenta os custos de fabricação e a complexidade do processo. Nos últimos anos, as placas bipolares de material compósito tornaram-se uma nova direção de pesquisa. Elas são tipicamente fabricadas pela mistura de cargas condutoras, como grafite ou negro de fumo, com resinas poliméricas (como o polipropileno) e moldadas por injeção. Combinam a resistência à corrosão da grafite com a moldabilidade dos plásticos, facilitando a produção em massa e oferecendo vantagens em termos de leveza. No entanto, sua condutividade elétrica e resistência mecânica são geralmente intermediárias entre a da grafite e a do metal, representando um importante compromisso na tecnologia atual. O modo de operação de uma placa bipolar é um paradigma de multitarefa paralela, e suas funções podem ser resumidas em três aspectos. A função principal é canalizar os gases reagentes. Através de canais de fluxo usinados com precisão em um dos lados, semelhantes a "rodovias" em miniatura, ela fornece uniformemente hidrogênio (combustível) à camada catalítica do ânodo e oxidante (oxigênio do ar) à camada catalítica do cátodo, garantindo que toda a área de reação participe eficientemente da geração de energia. Simultaneamente, o projeto desses canais de fluxo é altamente científico: eles devem garantir a distribuição uniforme do gás, evitar zonas mortas e também remover eficazmente a água produzida pela reação para evitar o "alagamento" que poderia bloquear os canais. A segunda função principal é coletar e conduzir corrente elétrica. A placa bipolar atua como um coletor de corrente, reunindo a corrente elétrica gerada por cada conjunto de eletrodos de membrana (célula individual) e conectando as células em série por meio de sua alta condutividade, fornecendo, em última instância, a tensão e a potência necessárias. A condutividade elétrica do material determina diretamente as perdas por resistência interna nesse processo. A terceira função essencial é a dissipação de calor e o gerenciamento da água.

A reação da célula a combustível gera calor; a placa bipolar, que serve como caminho de condução térmica, precisa remover esse calor rapidamente para manter a pilha dentro de uma faixa de temperatura operacional adequada. Enquanto isso, a água gerada no cátodo é parcialmente removida pelo excesso de fluxo de ar, e o projeto do campo de fluxo e o tratamento hidrofílico/hidrofóbico da placa bipolar são cruciais para a remoção eficaz dessa água. Portanto, o desempenho da placa bipolar determina diretamente a eficiência geral da pilha de células a combustível.

Uma placa bipolar ideal deve atingir o equilíbrio perfeito entre condutividade e resistência à corrosão, resistência e espessura, fluxo de gás e gerenciamento de água, custo de fabricação e vida útil. Seja feita de grafite, metal ou materiais compósitos, o objetivo do desenvolvimento permanece o mesmo: apoiar as perspectivas de comercialização mais ampla das células a combustível com custos mais baixos e desempenho mais confiável. Pode-se dizer que cada avanço na tecnologia de placas bipolares é um passo significativo rumo à adoção generalizada das células a combustível.