Le piastre bipolari, spesso denominate collettori di corrente, sono componenti indispensabili nella tecnologia delle celle a combustibile. Posizionate tra i gruppi di elettrodi a membrana e i componenti di tenuta, queste piastre svolgono un ruolo multifunzionale essenziale per il funzionamento efficiente delle celle a combustibile.
Dal punto di vista funzionale, le piastre bipolari servono come collegamenti critici all’interno dello stack delle celle a combustibile, svolgendo una serie di compiti che garantiscono la conversione senza soluzione di continuità dell’energia chimica in energia elettrica.
Innanzitutto, fungono da barriere, separando efficacemente i flussi di combustibile e ossidante e prevenendo il passaggio di gas, mantenendo così l’integrità delle reazioni elettrochimiche che avvengono all’interno della cella. Inoltre, queste piastre facilitano il trasporto dei gas di reazione da e verso gli elettrodi, consentendo reazioni elettrochimiche efficienti.
Inoltre, le piastre bipolari svolgono un ruolo cruciale nella fornitura di connettività elettrica, assicurando il flusso regolare di corrente attraverso lo stack della cella. Contribuiscono anche alla rimozione dei sottoprodotti dell’acqua generati durante le reazioni elettrochimiche, prevenendo l’allagamento e mantenendo le prestazioni ottimali della cella.
Inoltre, il design e la lavorazione dei canali di flusso all’interno delle piastre bipolari sono progettati per distribuire uniformemente i gas sullo strato di reazione dell’elettrodo, promuovendo reazioni elettrochimiche uniformi. Aiutano anche a dissipare efficacemente il calore, contribuendo a regolare la temperatura all’interno dello stack della cella a combustibile.
In termini di costruzione, le piastre bipolari presentano caratteristiche ideali per la loro applicazione. Sono caratterizzate da profili sottili e costruzione leggera, contribuendo all’efficienza complessiva del sistema della cella a combustibile. Inoltre, offrono opzioni di produzione economiche, rendendole adatte alla produzione su larga scala.
La selezione dei materiali per le piastre bipolari è fondamentale, con materiali che devono presentare alta resistenza, resistenza alla corrosione, buona tenuta ai gas e alta conducibilità per ottimizzare sia la potenza erogata che la longevità dei sistemi di celle a combustibile. Attualmente, le piastre bipolari sul mercato sono generalmente classificate in tre categorie: piastre bipolari in grafite, piastre bipolari metalliche e piastre bipolari composite.
Piastre bipolari in grafite
Le piastre bipolari in grafite sono componenti essenziali nella tecnologia delle celle a combustibile, composte principalmente da polvere di grafite e grafite espansa.
Polvere di grafite: La polvere di grafite serve come una delle materie prime principali per le piastre bipolari in grafite. È grafite finemente macinata, caratterizzata dalle sue proprietà di alta conducibilità e resistenza alla corrosione.
Grafite espansa: La grafite espansa, un altro componente cruciale, subisce un processo di espansione per aumentare il suo volume. Ciò si traduce in una struttura porosa con conducibilità termica ed elettrica migliorata, rendendola un materiale ideale per le piastre bipolari.
La produzione e la lavorazione delle piastre bipolari in grafite tipicamente coinvolgono due metodi principali:
– Il primo metodo prevede la formatura o lo stampaggio a iniezione di polvere di grafite mescolata con materiali resinosi. Questo processo utilizza le caratteristiche della miscela di polvere di grafite e resina per ottenere proprietà idrofobiche sulla superficie del prodotto.
– Il secondo metodo utilizza materiali compositi di grafite espansa per produrre strutture a forma di piastra. Questo processo comporta passaggi come pressatura leggera, formatura, impregnazione con resina, solforazione, incollaggio e sigillatura. Utilizzando materiali di grafite espansa, i prodotti risultanti presentano alta conducibilità e conducibilità termica, soddisfacendo i requisiti di geometria della piastra bipolare, contorno della superficie e dimensioni meccaniche.
Le piastre bipolari in grafite offrono diversi vantaggi, tra cui alta durabilità, resistenza alla corrosione e costi relativamente bassi. Sono particolarmente adatte per veicoli commerciali come autobus, veicoli logistici, veicoli per la raccolta dei rifiuti e carrelli elevatori. Tuttavia, le piastre bipolari in grafite presentano anche alcuni svantaggi, come bassa resistenza alla compressione e alla flessione, che possono portare a fragilità, difficoltà di assemblaggio e dimensioni maggiori.
Piastre bipolari metalliche
Le piastre bipolari metalliche sono componenti essenziali nella tecnologia delle celle a combustibile, emergendo gradualmente come la scelta principale grazie alla loro convenienza economica e alle eccellenti proprietà meccaniche. Queste piastre sono realizzate con una varietà di metalli e materiali compositi a base di metallo, ciascuno dei quali offre vantaggi unici nelle applicazioni delle celle a combustibile.
Materiali come acciaio inossidabile, leghe di alluminio, leghe di titanio, leghe di nichel, leghe di rame e compositi a base di metallo trovano ampio utilizzo nella produzione di piastre bipolari metalliche. I tradizionali processi di stampaggio o incisione su metallo utilizzati per produrre fogli di metallo ultraleggeri di uno spessore fino a 0,1 mm per la fabbricazione delle piastre bipolari.
Le piastre metalliche, essendo relativamente più sottili, presentano una maggiore densità di potenza volumetrica, rendendole adatte per stack di celle a combustibile ad alta densità di potenza. Sono ampiamente utilizzate nei veicoli passeggeri e in altre applicazioni che richiedono un’elevata potenza. Tuttavia, le piastre metalliche possono soffrire di ridotta durabilità, costi di produzione più elevati influenzati dalla selezione dei materiali e suscettibilità a reazioni di ossidazione e corrosione in ambienti acidi o ad alte temperature.
Vale la pena notare che raggiungere una produzione su larga scala di piastre bipolari metalliche potrebbe ridurre significativamente i costi di produzione, diventando un punto focale della ricerca nel settore. Con il continuo progresso, le piastre bipolari metalliche hanno il potenziale per ottimizzare ulteriormente la tecnologia delle celle a combustibile, contribuendo all’avanzamento delle soluzioni energetiche pulite.
Piastre bipolari composite
Le piastre bipolari composite rappresentano un progresso pionieristico nella tecnologia delle celle a combustibile, composte da due o più materiali sintetizzati per creare soluzioni innovative. Esaminiamo cosa rende uniche le piastre bipolari composite.
Le piastre bipolari composite presentano una miscela di materiali, in particolare compositi carbonio/carbonio e compositi grafite/polimero. Queste combinazioni mirano a sfruttare la resistenza alla corrosione dei materiali di grafite con la lavorabilità e l’alta durezza dei metalli, affrontando i limiti intrinseci dei materiali singoli.
Le ricerche attuali si concentrano sulle modifiche superficiali delle piastre anodiche realizzate in leghe di alluminio, acciaio al carbonio o acciaio inossidabile come 316L e 310L. Le tecniche di modifica della superficie includono rivestimenti a base di carbonio, rivestimenti in nitruro metallico e rivestimenti polimerici, migliorando le loro prestazioni e durabilità.
Nonostante i loro potenziali benefici, le piastre bipolari composite affrontano alcune sfide. I loro cicli di lavorazione estesi e processi di produzione complessi, uniti a problemi di affidabilità nell’uso prolungato, limitano la loro adozione diffusa nelle applicazioni delle celle a combustibile.
Inoltre, le tecnologie di rivestimento superficiale richiedono requisiti rigorosi per le attrezzature, in particolare per i processi che coinvolgono la placcatura elettrolitica con metalli preziosi, il che aumenta significativamente i costi di produzione.
Le piastre bipolari sono componenti vitali delle celle a combustibile, e la ricerca di nuovi materiali e metodi di fabbricazione ad alte prestazioni e a basso costo per le piastre bipolari è cruciale per l’industrializzazione dei veicoli a celle a combustibile. Tra i vari materiali per piastre bipolari, le piastre bipolari metalliche presentano vantaggi in termini di conducibilità, resistenza alla fatica, ecc., rispetto alle piastre bipolari in grafite, rendendole più adatte alla miniaturizzazione e significativamente importanti per aumentare la densità di potenza degli stack di celle a combustibile.
In futuro, lo sviluppo di eccellenti rivestimenti conduttivi e resistenti alla corrosione o di nuovi tipi di materiali metallici per le piastre bipolari promuoverà notevolmente l’applicazione delle PEMFC nel campo dei veicoli passeggeri. Inoltre, i progressi tecnologici che guidano la riduzione dei costi sono altrettanto critici, e accelerare la trasformazione dei prodotti a piastre bipolari dai risultati di laboratorio ai prodotti industriali è il percorso più diretto per la riduzione dei costi e il miglioramento dell’efficienza.