Kaip grafito bipolinės plokštės veikia kuro elementuose?

I. Grafito bipolinių plokščių pagrindinis vaidmuo pramonės bumo metu

Atsižvelgiant į „dvigubo anglies dioksido“ tikslus ir sparčią vandenilio ekonomikos plėtrą, kuro elementai (ypač PEM kuro elementai) pereina iš demonstracinės fazės į didelio masto taikymą. Nuo keleivinių transporto priemonių iki paskirstytų energijos gamybos sistemų, kuro elementų sistemos efektyvumas, tarnavimo laikas ir kaina tampa pagrindiniais pramonės konkurencijos rodikliais.

Šioje sistemoje grafito bipolinė plokštė yra ne tik „pagalbinis komponentas“, bet ir vienas iš pagrindinių funkcinių elementų, lemiančių kuro elementų bloko našumą. Tyrimai rodo, kad bipolinės plokštės sudaro maždaug 60–80 % kuro elementų bloko svorio ir 40–50 % jo kainos; jų konstrukcija ir medžiagų pasirinkimas tiesiogiai veikia sistemos galios tankį, ilgaamžiškumą ir gamybos sąnaudas.

Veikimo mechanizmo požiūriu, grafito bipolinės plokštės pasiekia stabilią ir nuolatinę kuro elementų elektrocheminę reakciją, glaudžiai integruodamos kelias funkcijas, įskaitant „srovės laidumą, dujų paskirstymą, šilumos valdymą ir konstrukcinę atramą“, todėl jos tampa tikruoju „daugiafizikiniu jungties pagrindiniu komponentu“ krūvoje.

II. Grafito bipolinių plokščių vaidmuo ir veikimo principai kuro elementuose 

Tipiniame protonų mainų membraniniame kuro elemente (PEMFC) grafito bipolinės plokštės yra išdėstytos abiejose membraninio elektrodo mazgo (MEA) pusėse, integruodamos nuosekliai sujungtų kuro elementų funkcijas per savo dvipusę struktūrą.

Jo veikimo principą galima suprasti per šiuos keturis susietus procesus:

Pirmasis yra srovės surinkimo ir laidumo mechanizmas. Kuro elemento reakcijos metu vandenilis praranda elektronus prie anodo, ir šie elektronai yra išvedami kaip energija per išorinę grandinę. Bipolinė plokštė yra atsakinga už elektronų nukreipimą iš vienos ląstelės į kitą. Grafito vidinis elektrinis laidumas gali siekti 10⁴ S/cm eilę, todėl žymiai sumažėja ominiai nuostoliai ir taip pagerėja sistemos efektyvumas.

Antra, tai reagentų transportavimo ir srauto lauko valdymo mechanizmas. Bipolinės plokštės paviršius yra apdirbtas tiksliais srauto kanalais, kad vandenilis ir oras būtų tolygiai paskirstyti ir pašalintas reakcijos metu susidaręs vanduo. Šis procesas iš esmės yra dujų ir skysčio dvifazio srauto valdymo problema, o jo konstrukcija tiesiogiai veikia masės perdavimo efektyvumą ir akumuliatoriaus veikimo stabilumą.

Trečiasis yra šilumos valdymo mechanizmas. Kuro elementai veikimo metu generuoja šilumą; jei šios šilumos negalima efektyviai išsklaidyti, susidarys lokalizuoti karštieji taškai ir paspartės membraninio elektrodo senėjimas. Puikus grafito šilumos laidumas leidžia jam greitai ir tolygiai paskirstyti šilumą plokštumoje, taip palaikant stabilų temperatūros lauką krūvoje.

Galiausiai, yra sandarinimo ir izoliacijos mechanizmas. Dėl konstrukcinės konstrukcijos ir suderintos sandarinimo sistemos bipolinė plokštė užtikrina griežtą vandenilio ir deguonies atskyrimą, užkertant kelią kryžminiam dujų užteršimui. Tai ne tik turi įtakos efektyvumui, bet ir tiesiogiai veikia sistemos saugą.

Apibendrinant galima teigti, kad grafitinių bipolinių plokščių veikimo principas nėra vienas fizikinis procesas, o veikiau daugialaukės sujungtos sistemos, apimančios elektrinius, šiluminius, srauto ir struktūrinius veiksnius, sinergetinės sąveikos rezultatas.

III. Kodėl verta rinktis grafitą: pagrindinių fizinių savybių analizė

Grafitas tapo plačiai naudojama bipoline plokščių medžiaga tiek istoriškai, tiek ir šiandien dėl savo visapusiškų pranašumų, susijusių su daugeliu pagrindinių našumo rodiklių.

Kalbant apie elektrines savybes, grafitas pasižymi puikiu elektriniu laidumu; jo sluoksniuota struktūra užtikrina nenutrūkstamą elektronų pernašos kelią, todėl tai ideali medžiaga, atitinkanti DOE technines specifikacijas (laidumas > 100 S/cm).

Kalbant apie cheminį stabilumą, grafitas pasižymi išskirtiniu atsparumu korozijai. Rūgštinėje ir didelio potencialo kuro elementų aplinkoje metalinės medžiagos dažnai koroduoja ir sudaro pasyvacijos sluoksnius, taip padidindamos kontaktinį varžą. Priešingai, grafitas pasižymi įgimtu cheminiu inertiškumu, kuris užtikrina ilgalaikį stabilų veikimą.

Kalbant apie šilumines savybes, grafitas pasižymi dideliu šilumos laidumu, kuris padeda pasiekti tolygų temperatūros pasiskirstymą membranos viduje ir apsaugo membraninį elektrodą nuo pažeidimų, kuriuos sukelia vietinis perkaitimas.

Be to, grafitas pasižymi puikiomis dujų barjero savybėmis (kurias galima dar labiau pagerinti impregnuojant), veiksmingai užkertant kelią vandenilio ir deguonies prasiskverbimui ir užtikrinant sistemos vientisumą.

Tačiau inžinerijos požiūriu grafitas turi didelių apribojimų. Pavyzdžiui, jis yra labai trapus, sunkiai apdorojamas ir paprastai reikalauja kelių milimetrų (> 2–5 mm) storio, o tai trukdo kurti lengvus ir didelio galingumo tankio sluoksnius. Todėl pastaraisiais metais kompozicinės grafito ir metalo alternatyvos pamažu tapo tyrimų objektu.

IV. Pramonės tendencijos ir ateities perspektyvos

Spartėjant kuro elementų komercializacijai, bipolinių plokščių technologija sparčiai vystosi, o jos vystymąsi akivaizdžiai skatina tiek medžiagų, tiek gamybos pažanga.

Viena vertus, keleivinių transporto priemonių ir didelio galingumo įrenginių pramonė palaipsniui pereina nuo tradicinių grafitinių bipolinių plokščių prie metalinių bipolinių plokščių (pvz., nerūdijančio plieno ir titano lydinių). Šios medžiagos gali pasiekti mažesnį nei milimetras storį, o štampavimo procesai žymiai sumažina gamybos sąnaudas, taip patenkinant masinės gamybos poreikius.

Kita vertus, grafito kompozicinės bipolinės plokštės tampa pagrindiniu pereinamuoju sprendimu. Į jas įtraukus laidžius užpildus, tokius kaip dervos ir anglies nanovamzdeliai, šios medžiagos gali išlaikyti aukštą elektrinį laidumą ir atsparumą korozijai, kartu pagerindamos mechaninį stiprumą ir sumažindamos apdorojimo sąnaudas.

Tuo pačiu metu pažangios gamybos technologijos (pvz., priedinė gamyba) skatina bipolinių plokštelinių srauto kanalų projektavimą didesnio sudėtingumo ir efektyvumo link, taip pagerindamos bendrą kuro elementų našumą ir energijos panaudojimo efektyvumą.

Ilgainiui grafito bipolinės plokštės išliks konkurencingos šiose srityse:

● Stacionarios elektros energijos gamybos sistemos (kur kaina ir tarnavimo laikas yra svarbiausi veiksniai)

● Mažos ir vidutinės galios taikymas

● Šarminės arba specifinių eksploatavimo sąlygų elektrocheminės sistemos

Kaip pirmaujantis Kinijos gamintojas ir tiekėjas,grafito bipolinės plokštės„Ningbo VET Energy“ sukūrė pažangias grafito bipoliarines plokštes PEMFC, kurios yra ekonomiškos, labai laidžios ir mechaniškai tvirtos. „VET Energy“ taip pat siūlo derva impregnuotas grafito medžiagas, kad būtų pasiektas dujų nepralaidumas ir didelis stiprumas, išlaikant grafitui būdingą puikų elektrinį ir šiluminį laidumą.

Dar svarbiau,Profesinio mokymo energijaPalaiko individualius grafito dvipolių plokščių projektavimo reikalavimus. Galime apdirbti abi plokščių puses, kad sukurtume srauto kanalus, apdirbti tik vieną pusę arba pateikti neapdirbtas tuščias plokštes. Visos grafito plokštės gali būti apdirbtos pagal jūsų išsamias specifikacijas. Laukiame jūsų tolesnių užklausų.