Polttokennojen ydinosissa bipolaarisilla levyillä on ratkaiseva rooli. Ne eivät ainoastaan johda sähkövirtaa, vaan ne myös erottavat yksittäisiä kennoyksiköitä, jakavat kaasuja ja haihduttavat lämpöä. Polttokennoteknologian jatkuvan kehityksen myötä myös bipolaaristen levymateriaalien valikoima on monipuolistunut, ja niitä löytyy esimerkiksi elektrolyysereistä ja virtausakuista. Yleisiä bipolaarisia levymateriaaleja ovat metallit, grafiitti ja komposiittigrafiitti, joilla kullakin on omat ainutlaatuiset etunsa ja haittansa, ja ne sopivat erilaisiin sovellustilanteisiin.
1. Metallinen bipolaarinen levy
Metalliset bipolaarilevyt ovat varhaisimpia polttokennoissa käytettyjä materiaaleja. Yleisiä metallimateriaaleja ovat ruostumaton teräs, titaaniseokset ja alumiiniseokset. Näillä metalleilla on erinomainen mekaaninen lujuus ja sähkönjohtavuus, minkä vuoksi niitä käytettiin laajalti varhaisissa polttokennosovelluksissa.
Edut
- Korkea johtavuus: Metallimateriaaleilla on erinomainen sähkönjohtavuus, mikä auttaa parantamaan polttokennojen kokonaistehokkuutta.
- Vahva mekaaninen lujuus: Metallisilla bipolaarilevyillä on korkea mekaaninen lujuus, minkä ansiosta ne kestävät suurempaa painetta ja ulkoisia iskuja, mikä tekee niistä sopivia laajamittaisiin sovelluksiin.
- Hyvä prosessoitavuus: Metallimateriaaleja voidaan helposti muotoilla leimaamalla, laserleikkaamalla ja muilla valmistusprosesseilla, mikä johtaa alhaisempiin kustannuksiin ja korkeampaan tuotantotehokkuuteen.
Haitat
- Huono korroosionkestävyys: Metallit ovat alttiita korroosiolle sähkökemiallisissa reaktioissa, erityisesti pitkäaikaisessa altistumisessa vety- ja happiympäristöille. Tämä voi johtaa pinnan hapettumiseen ja hajoamiseen, mikä lyhentää niiden käyttöikää.
- Korkeammat kustannukset: Korkean suorituskyvyn omaavat metallit, kuten ruostumaton teräs ja titaaniseokset, ovat kalliita. Lisäksi korroosionestopintojen tarve lisää entisestään tuotantokustannuksia.
- Suurempi paino: Verrattuna muihin materiaaleihin, metalliset bipolaarilevyt ovat painavampia, mikä voi olla rajoitus painoherkissä sovelluksissa (esim. autoteollisuudessa).
Sovellukset
Metallisia bipolaarilevyjä käytetään tyypillisesti polttokennojärjestelmissä, jotka vaativat suurta lujuutta ja tehoa. Esimerkiksi suurissa polttokennojärjestelmissä tai suuritehoisissa teollisuuslaitteissa metallisia bipolaarilevyjä käytetään laajalti niiden erinomaisen lujuuden ja kestävyyden vuoksi.
2. Grafiittinen bipolaarinen levy
Grafiittiset bipolaariset levytovat yksi polttokennoissa eniten käytetyistä materiaaleista. Grafiitilla itsessään on erinomainen sähkönjohtavuus, korroosionkestävyys ja korkeiden lämpötilojen stabiilius. Grafiitin prosessointitekniikan kehittyessä grafiittibipolaarilevyistä on vähitellen tullut hallitsevia polttokennosovelluksissa.
Edut
- Erinomainen korroosionkestävyys: Grafiitti kestää erinomaisesti vetyä, happea ja happamia ympäristöjä, minkä ansiosta grafiittibipolaarilevyt säilyttävät vakaan suorituskyvyn pitkäaikaisessa käytössä.
- Kevyt: Grafiitin alhaisen tiheyden vuoksi grafiittibipolaarilevyt ovat kevyitä, mikä tekee niistä ihanteellisia painoherkille sovelluksille, kuten polttokennoajoneuvoille (FCEV).
- Korkea johtavuus: Grafiitin erinomainen sähkönjohtavuus parantaa akun kokonaistehokkuutta.
Haitat
- Hauraus: Grafiitti on suhteellisen hauras ja sitkeä, minkä vuoksi se halkeilee helposti korkeassa paineessa tai voimakkaassa tärinässä.
- Monimutkainen prosessointi: Vaikka grafiitti on työstettävissä, grafiittisten bipolaarilevyjen valmistus vaatii tarkkaa valmistusta, jota on vaikea hallita. Lisäksi voiteluaineiden käyttö tuotannon aikana lisää kustannuksia.
- Kosteuden imeytyminen: Grafiitti on hygroskooppista, ja kosteuden kertyminen voi vaikuttaa negatiivisesti sen johtavuuteen ja korroosionkestävyyteen, erityisesti kosteissa ympäristöissä.
Sovellukset
Grafiittibipolaarilevyjä käytetään yleisesti pienissä ja keskisuurissa polttokennojärjestelmissä, erityisesti kuljetussovelluksissa, kuten polttokennoajoneuvoissa (FCEV). Niiden keveys ja korroosionkestävyys tekevät niistä erittäin sopivia näihin skenaarioihin.
3. Komposiittigrafiitti bipolaarinen levy
Komposiittigrafiittibipolaarilevyt ovat uudentyyppinen komposiittimateriaali, joka on muodostettu yhdistämällä grafiittia muihin materiaaleihin (kuten hartseihin ja hiilikuituihin). Komposiittigrafiitin etuna on sen kyky säilyttää grafiitin edut ja samalla kompensoida sen haurautta ja prosessointihaasteita lisäämällä muita materiaaleja.
Edut
- Parannettu mekaaninen lujuus: Lisäämällä muita materiaaleja komposiittigrafiitti parantaa raaka-aineiden mekaanista lujuutta, lieventää grafiitin luontaista haurautta ja vähentää murtumisriskejä.
- Erinomainen korroosionkestävyys: Komposiittigrafiitti säilyttää grafiitin erinomaisen korroosionkestävyyden, joten se sopii erinomaisesti pitkäaikaiseen altistumiseen happamille ympäristöille.
- Pienempi paino ja kustannukset: Kevyemmän painon ja hallittujen tuotantokustannusten ansiosta komposiittigrafiitti tarjoaa paremman kustannustehokkuuden kuin metallimateriaalit.
Haitat
- Monimutkainen prosessointi: Suorituskykyeduista huolimatta komposiittigrafiitin valmistus vaatii edistynyttä teknologiaa, ja materiaalin tasaisuuden varmistaminen on edelleen haastavaa, mikä voi vaikuttaa bipolaarisen levyn vakauteen.
- Hieman heikentynyt johtavuus: Muiden materiaalien lisääminen voi hieman heikentää kokonaisjohtavuutta, mikä vaikuttaa polttokennojen hyötysuhteeseen verrattuna puhtaaseen grafiittiin.
Sovellukset
Komposiittigrafiittibipolaarilevyjä käytetään laajalti polttokennojärjestelmissä, jotka vaativat suurta mekaanista lujuutta ja pitkää käyttöikää, erityisesti kuljetuksessa, kannettavissa sähköntuotannossa ja varavirtajärjestelmissä. Jatkuvan teknologisen kehityksen myötä niiden sovellusmahdollisuudet laajenevat nopeasti.
Julkaisun aika: 25. syyskuuta 2025