Camadas de difusão de gás: Por que os feltros de fibra são a escolha preferida

As camadas de difusão de gás (GDLs) são elementos essenciais em células de combustível e eletrolisadores. Elas permitem o transporte eficiente de gases, elétrons e líquidos entre os canais de fluxo e o catalisador. As fibras feltradas são a opção preferida porque representam a combinação ideal de condutividade, porosidade e flexibilidade.

O que são camadas de difusão de gás?

As camadas de difusão de gás são materiais porosos colocados entre a camada de catalisador e o campo de fluxo em dispositivos eletroquímicos. Sua principal função é permitir o fornecimento uniforme de gases reagentes à superfície do catalisador e, ao mesmo tempo, permitir a evacuação eficiente dos gases do produto. Nas células de combustível, os GDLs gerenciam o transporte de hidrogênio e oxigênio para maximizar as reações eletroquímicas e minimizar as perdas de concentração. Nos eletrolisadores, eles auxiliam na evacuação eficaz dos gases de hidrogênio e oxigênio gerados nos eletrodos.

Além do transporte de gás, os GDLs também fornecem suporte mecânico para a camada de catalisador e estão envolvidos no gerenciamento de água. A distribuição uniforme da água evita o alagamento ou o ressecamento do catalisador, o que pode reduzir drasticamente o desempenho. A condutividade elétrica também é uma função importante, por meio da qual os GDLs conduzem elétrons entre o catalisador e os circuitos externos. Com essas exigências, a escolha do material dos GDLs é essencial para a eficiência e a longevidade do dispositivo a longo prazo.

Fig. 1 Ilustração esquemática da célula do eletrolisador de gap zero [1]

O que são feltros de fibra?

Os feltros de fibra são esteiras não tecidas formadas pelo emaranhamento de fibras em uma rede altamente porosa. Em geral, são feitos de carbono, que se caracteriza por sua condutividade elétrica e estabilidade química. As fibras de um feltro são orientadas aleatoriamente, formando uma estrutura tridimensional que oferece caminhos interconectados para gases e líquidos. A estrutura é diferente daquela dos tecidos ou papéis de carbono e proporciona maior porosidade e flexibilidade com manutenção da resistência mecânica.

O processo de produção de feltros de fibra une as fibras por meio de aquecimento, pressão ou tratamentos de resina para criar esteiras com espessura, densidade e permeabilidade projetadas. Os feltros de carbono são excepcionalmente adequados para ambientes eletroquímicos devido ao fato de serem inertes, resistentes a altas temperaturas e à corrosão.

Por que os feltros de fibra são ideais para camadas de difusão de gás?

Os feltros de fibra oferecem um equilíbrio de propriedades que os torna extremamente adequados para uso como GDLs. Uma das propriedades mais importantes é que eles têm alta permeabilidade e porosidade de gás, o que permite que os gases reagentes sejam distribuídos uniformemente para a camada de catalisador, enquanto os gases do produto podem ser expelidos de forma eficaz. Isso permite que a polarização da concentração seja minimizada e que a eficiência eletroquímica seja alta.

Outra vantagem importante é a excelente condutividade elétrica. Os feltros de fibra de carbono oferecem caminhos de baixa resistência para os elétrons, facilitando a coleta e a distribuição eficientes da corrente pela superfície do catalisador. A estabilidade química também é significativa; os feltros de fibra são resistentes à corrosão e à degradação em ambientes ácidos ou alcalinos agressivos, que são comuns em células de combustível e eletrolisadores.

A flexibilidade mecânica também é um fator importante. Os feltros compostos por fibras podem ser comprimidos para contato próximo com o catalisador e o campo de fluxo sem rachaduras ou degradação da integridade estrutural. A compressibilidade permite a expansão térmica e as tensões mecânicas durante a operação para um desempenho de longo prazo.

Nas células de combustível, elas gerenciam a água. Eles espalham a água uniformemente, evitam inundações e proporcionam uma hidratação ideal do catalisador. Em eletrolisadores, proporcionam a liberação rápida de bolhas de hidrogênio e oxigênio com um acúmulo mínimo de bolhas, possibilitando alta eficiência em altas densidades de corrente.

Onde usar feltros de fibra para camadas de difusão de gás?

Os feltros de fibra têm maior uso em células de combustível e eletrolisadores de água, onde o gerenciamento de água e o transporte de gás são cruciais. Nas células de combustível PEM, os feltros de fibra são empregados como GDLs para o fornecimento uniforme de hidrogênio e oxigênio para a camada de catalisador e para a saída livre de água. Em eletrolisadores alcalinos ou PEM, os feltros de fibra são empregados para a liberação eficaz de bolhas de hidrogênio e oxigênio das superfícies dos eletrodos a fim de facilitar a operação com alta densidade de corrente. Além disso, os feltros de fibra são aplicados em células de combustível regenerativas unificadas, baterias de fluxo redox e outros reatores eletroquímicos em que a distribuição uniforme de gás e líquido e a estabilidade química e mecânica são essenciais para o alto desempenho.

Lista de materiais de feltro de fibra

Os feltros de fibra de titânio, níquel e aço inoxidável oferecem vantagens distintas para camadas de difusão de gás. O feltro de titânio é valorizado em eletrolisadores PEM e células de combustível por sua alta porosidade, força e excelente resistência a ambientes ácidos. Com tamanho e porosidade personalizáveis, ele garante desempenho estável e liberação eficiente de gás, mesmo em altas densidades de corrente. O feltro de níquel, conhecido por sua condutividade e resistência à corrosão alcalina, é amplamente utilizado no lado do cátodo de eletrolisadores alcalinos e em algumas células de combustível para promover a geração de hidrogênio. O feltro de aço inoxidável, embora menos resistente à corrosão, combina durabilidade, resistência ao desgaste e custo mais baixo, o que o torna uma opção prática para grandes eletrolisadores e baterias de fluxo em que a resistência mecânica é fundamental.

Conclusão

As camadas de difusão de gás contribuem significativamente para o desempenho e a vida útil das células de combustível e dos eletrolisadores. Entre os materiais em potencial, os feltros de fibra se destacam por sua alta porosidade, condutividade elétrica, estabilidade química e flexibilidade mecânica. Para obter mais materiais avançados, consulte a Stanford Advanced Materials (SAM).

Referências:

[1] Samu AA, Szenti I, Kukovecz Á, Endrődi B, Janáky C. Systematic screening of gas diffusion layers for high performance_CO2 electrolysis (Triagem sistemática de camadas de difusão de gás para eletrólise_{de CO2} de alto desempenho). Commun Chem. 2023 Feb 24;6(1):41. doi: 10.1038/s42004-023-00836-2. PMID: 36828885; PMCID: PMC9958001.