Графитовая биполярная пластинаявляется ключевым компонентом, используемым в электрохимическом оборудовании, таком как топливные элементы и электролизеры, обычно изготавливается из высокочистых графитовых материалов. Он играет важную роль в электрохимических реакциях, в основном используется для проведения тока, распределения реакционных газов (таких как водород и кислород) и разделения зон реакции. Поскольку его две стороны контактируют с анодом и катодом соседних отдельных ячеек, образуя «биполярную» структуру (одна сторона — поле потока анода, а другая сторона — поле потока катода), он называется биполярной пластиной.
Структура графитовой биполярной пластины
Графитовые биполярные пластины обычно состоят из следующих частей:
1. Поле потока: Поверхность биполярной пластины спроектирована со сложной структурой поля потока для равномерного распределения реакционного газа (например, водорода, кислорода или воздуха) и отвода образующейся воды.
2. Проводящий слой: Графитовый материал сам по себе обладает хорошей проводимостью и может эффективно проводить ток.
3. Зона уплотнения: Края биполярных пластин обычно снабжены уплотнительными конструкциями для предотвращения утечки газа и проникновения жидкости.
4. Каналы охлаждения (опционально): В некоторых высокопроизводительных приложениях внутри биполярных пластин могут быть спроектированы охлаждающие каналы для регулирования рабочей температуры оборудования.
Функции графитовых биполярных пластин
1. Проводящая функция:
Являясь электродом электрохимического оборудования, биполярная пластина отвечает за сбор и проведение тока, обеспечивая эффективную выработку электроэнергии.
2. Распределение газа:
Благодаря конструкции проточного канала биполярная пластина равномерно распределяет реакционный газ по слою катализатора, способствуя электрохимической реакции.
3. Разделение зон реакции:
В топливном элементе или электролизере биполярные пластины разделяют анодную и катодную области, предотвращая смешивание газов.
4. Теплоотдача и дренаж:
Биполярные пластины помогают регулировать рабочую температуру оборудования и отводить воду или другие побочные продукты, образующиеся в результате реакции.
5. Механическая поддержка:
Биполярные пластины обеспечивают структурную поддержку мембранного электрода, гарантируя стабильность и долговечность оборудования.
Почему в качестве материала биполярных пластин выбран графит?
Свойства материалов графитовых биполярных пластин
●Высокая проводимость:
Объемное сопротивление графита составляет всего 10-15 мкОм·см (лучше, чем 100-200 мкОм·смметаллическая биполярная пластина) .
●Коррозионная стойкость:
Практически не подвержены коррозии в кислой среде топливных элементов (pH 2-3), а срок службы может достигать более 20 000 часов.
●Легкий:
Плотность составляет около 1,8 г/см3 (7-8 г/см3 для металлической биполярной пластины), что позволяет снизить вес в транспортных средствах.
●Газобарьерные свойства:
Плотная структура графита эффективно предотвращает проникновение водорода и обладает высокой безопасностью.
●Простая обработка:
Графитовый материал легко поддается обработке и позволяет изготавливать сложные конструкции и размеры проточных каналов в соответствии с потребностями.
Как изготавливаются графитовые биполярные пластины?
Процесс производстваграфитовая биполярная пластинавключает в себя следующее:
●Подготовка сырья:
Используйте порошок натурального графита высокой чистоты (>99,9%) или искусственного графита.
Добавьте смолу (например, фенольную смолу) в качестве связующего для повышения механической прочности.
●Компрессионное формование:
Смешанный материал впрыскивается в форму и прессуется при высокой температуре (200-300℃) и высоком давлении (>100 МПа).
●Графитизационная обработка:
Нагревание до 2500–3000 ℃ в инертной атмосфере приводит к улетучиванию неуглеродных элементов и образованию плотной графитовой структуры.
●Обработка питателя:
Используйте станки с ЧПУ или лазеры для вырезания змеевидных, параллельных или встречно-гребенчатых каналов (глубиной 0,5–1 мм).
●Обработка поверхности:
Пропитка смолой или металлическим (например, золотом, титаном) покрытием снижает контактное сопротивление и повышает износостойкость.
Каковы области применения графитовых биполярных пластин?
1. Топливный элемент:
- Топливный элемент с протонообменной мембраной (PEMFC)
- Твердооксидный топливный элемент (ТОТЭ)
- Топливный элемент прямого действия на метаноле (DMFC)
2. Электролизер:
- Получение водорода электролизом воды
- Хлорно-щелочная промышленность
3. Система накопления энергии:
- Проточная батарея
4. Химическая промышленность:
- Электрохимический реактор
5. Лабораторные исследования:
- Разработка и испытание прототипов топливных элементов и электролизеров
Подвести итог
Графитовые биполярные пластиныявляются основными компонентами электрохимического оборудования, такого как топливные элементы и электролизеры, и имеют множество функций, таких как проводимость, распределение газа и разделение зон реакции. С развитием технологий чистой энергии графитовые биполярные пластины все чаще используются в новых энергетических транспортных средствах, системах хранения энергии, химическом производстве водорода и других областях.
Время публикации: 31 марта 2025 г.