מהי לוחית גרפיט דו קוטבית?

לוחית דו קוטבית גרפיטהוא רכיב מפתח המשמש בציוד אלקטרוכימי כגון תאי דלק ואלקטרוליזרים, העשוי בדרך כלל מחומרים גרפיט בעלי טוהר גבוה. הוא ממלא תפקיד חיוני בתגובות אלקטרוכימיות, ומשמש בעיקר להולכת זרם, פיזור גזי תגובה (כגון מימן וחמצן) והפרדת אזורי תגובה. מכיוון ששני צדדיו נוגעים באנודה ובקתודה של תאים בודדים סמוכים, ויוצרים מבנה "דו קוטבי" (צד אחד הוא שדה הזרימה של האנודה והצד השני הוא שדה הזרימה של הקתודה), הוא נקרא לוח דו קוטבי.

מבנה הלוח הדו-קוטבי של גרפיט

לוחות דו-קוטביים גרפיט מורכבים בדרך כלל מהחלקים הבאים:
1. שדה זרימהפני השטח של הלוח הדו-קוטביים מתוכננים עם מבנה שדה זרימה מורכב כדי לפזר באופן שווה את גז התגובה (כגון מימן, חמצן או אוויר) ולפלוט את המים שנוצרו.

2. שכבה מוליכהלחומר גרפיט עצמו יש מוליכות טובה והוא יכול להוליך זרם ביעילות.

3. אזור איטוםקצוות הלוחות הדו-קוטביים מעוצבים בדרך כלל עם מבני איטום כדי למנוע דליפת גז וחדירת נוזלים.

4. תעלות קירור (אופציונלי)ביישומים מסוימים בעלי ביצועים גבוהים, ניתן לתכנן תעלות קירור בתוך הלוחות הדו-קוטביים כדי לווסת את טמפרטורת ההפעלה של הציוד.

פונקציות של לוחות דו-קוטביים גרפיט

1. פונקציה מוליכה:

כאלקטרודה של ציוד אלקטרוכימי, הלוח הדו-קוטבי אחראי על איסוף והולכת זרם כדי להבטיח פלט יעיל של אנרגיה חשמלית.
2. חלוקת גז:

באמצעות תכנון תעלת זרימה, הפלטה הדו-קוטבית מפזרת באופן שווה את גז התגובה לשכבת הזרז, ומקדמת את התגובה האלקטרוכימית.
3. הפרדת אזורי תגובה:

בתא דלק או אלקטרוליזר, לוחות דו-קוטביים מפרידים בין אזורי האנודה והקתודה, ומונעים ערבוב של גזים.
4. פיזור חום וניקוז:

לוחות דו-קוטביים מסייעים בוויסות טמפרטורת ההפעלה של הציוד ובפליטת מים או תוצרי לוואי אחרים הנוצרים על ידי התגובה.
5. תמיכה מכנית:

לוחות דו-קוטביים מספקים תמיכה מבנית לאלקטרודת הממברנה, ומבטיחים את יציבות הציוד ועמידותו.

מדוע לבחור גרפיט כחומר ללוח דו קוטבי?

תכונות חומר של לוחות דו-קוטביים גרפיט
●מוליכות גבוהה:

ההתנגדות הצורפית של גרפיט נמוכה עד כדי 10-15 מיקרוΩ.ס"מ (טובה מ-100-200 מיקרוΩ·ס"מ שללוחית דו קוטבית ממתכת).

●עמידות בפני קורוזיה:

כמעט ואין קורוזיה בסביבה החומצית של תאי דלק (pH 2-3), וחיי השירות יכולים להגיע ליותר מ-20,000 שעות.

●קַל מִשְׁקָל:

הצפיפות היא כ-1.8 גרם/סמ"ק (7-8 גרם/סמ"ק עבור לוחית דו-קוטבית ממתכת), דבר מועיל להפחתת משקל ביישומי רכב.

●תכונת מחסום גז:

המבנה הצפוף של גרפיט יכול למנוע ביעילות חדירת מימן ובעל בטיחות גבוהה.

●עיבוד קל:

חומר גרפיט קל לעיבוד וניתן להתאים אישית עיצובים וגדלים מורכבים של תעלות זרימה בהתאם לצרכים.

כיצד מייצרים לוחות דו-קוטביים של גרפיט?

תהליך הייצור שלצלחת דו קוטבית גרפיטכולל את הדברים הבאים:
●הכנת חומר גלם:

השתמשו בגרפיט טבעי בעל טוהר גבוה (>99.9%) או באבקת גרפיט מלאכותית.

הוסף שרף (כגון שרף פנולי) כחומר מקשר כדי לשפר את החוזק המכני.

●יציקת דחיסה:

החומר המעורב מוזרק לתבנית ונלחץ תחת טמפרטורה גבוהה (200-300 ℃) ולחץ גבוה (> 100 MPa).

●טיפול גרפיטיזציה:

חימום ל-2500-3000 ℃ באטמוספרה אינרטית גורם להתנדפות יסודות שאינם פחמן וליצירת מבנה גרפיט צפוף.

●עיבוד ראנר:

השתמשו במכונות CNC או בלייזרים כדי לחרוט תעלות מתפתלות, מקבילות או משולבות (עומק 0.5-1 מ"מ).

●טיפול פני השטח:

הספגה בציפוי שרף או מתכת (כגון זהב, טיטניום) מפחיתה את עמידות המגע ומשפרת את עמידות הבלאי.

מהם היישומים של לוחות דו-קוטביים גרפיט?

1. תא דלק:

- תא דלק קרום חילוף פרוטונים (PEMFC)

- תא דלק תחמוצת מוצקה (SOFC)

- תא דלק מתנול ישיר (DMFC)

2. אלקטרוליזר:

- ייצור מימן על ידי אלקטרוליזה של מים

- תעשיית הכלור-אלקלי

3. מערכת אחסון אנרגיה:

- סוללת זרימה

4. תעשייה כימית:

- כור אלקטרוכימי

5. מחקר מעבדתי:

- פיתוח ובדיקת אבות טיפוס של תאי דלק ואלקטרוליזרים

לְסַכֵּם

לוחות דו-קוטביים גרפיטהם מרכיבים מרכזיים של ציוד אלקטרוכימי כגון תאי דלק ואלקטרוליזרים, ויש להם פונקציות מרובות כגון מוליכות, פיזור גז והפרדת אזורי תגובה. עם התפתחות טכנולוגיית אנרגיה נקייה, לוחות דו-קוטביים של גרפיט נמצאים בשימוש גובר בכלי רכב חדשים לאנרגיה, מערכות אחסון אנרגיה, ייצור מימן כימי ותחומים אחרים.