แผ่นไบโพลาร์กราไฟต์คืออะไร?

แผ่นขั้วคู่กราไฟต์แผ่นขั้วคู่เป็นส่วนประกอบสำคัญที่ใช้ในอุปกรณ์ทางเคมีไฟฟ้า เช่น เซลล์เชื้อเพลิงและเครื่องแยกน้ำด้วยไฟฟ้า โดยปกติทำจากวัสดุแกรไฟต์ที่มีความบริสุทธิ์สูง มีบทบาทสำคัญในปฏิกิริยาทางเคมีไฟฟ้า โดยส่วนใหญ่ใช้ในการนำกระแสไฟฟ้า กระจายก๊าซปฏิกิริยา (เช่น ไฮโดรเจนและออกซิเจน) และแยกพื้นที่ปฏิกิริยา เนื่องจากด้านทั้งสองของแผ่นขั้วคู่สัมผัสกับขั้วบวกและขั้วลบของเซลล์เดี่ยวที่อยู่ติดกัน ทำให้เกิดโครงสร้างแบบ "ขั้วคู่" (ด้านหนึ่งเป็นบริเวณการไหลของกระแสขั้วบวก และอีกด้านหนึ่งเป็นบริเวณการไหลของกระแสขั้วลบ) จึงเรียกว่าแผ่นขั้วคู่

โครงสร้างของแผ่นขั้วคู่กราไฟต์

แผ่นขั้วคู่กราไฟต์โดยทั่วไปประกอบด้วยส่วนต่างๆ ดังต่อไปนี้:
1. สนามการไหลพื้นผิวของแผ่นไบโพลาร์ถูกออกแบบด้วยโครงสร้างสนามการไหลที่ซับซ้อน เพื่อกระจายก๊าซปฏิกิริยา (เช่น ไฮโดรเจน ออกซิเจน หรืออากาศ) อย่างสม่ำเสมอ และระบายน้ำที่เกิดขึ้น

2. ชั้นนำไฟฟ้าวัสดุกราไฟต์มีคุณสมบัติการนำไฟฟ้าที่ดีและสามารถนำกระแสไฟฟ้าได้อย่างมีประสิทธิภาพ

3. บริเวณปิดผนึกขอบของแผ่นขั้วคู่มักถูกออกแบบให้มีโครงสร้างปิดผนึกเพื่อป้องกันการรั่วไหลของก๊าซและการซึมผ่านของของเหลว

4. ช่องระบายความร้อน (เลือกได้)ในบางแอปพลิเคชันที่มีประสิทธิภาพสูง อาจมีการออกแบบช่องระบายความร้อนไว้ภายในแผ่นขั้วคู่เพื่อควบคุมอุณหภูมิการทำงานของอุปกรณ์

หน้าที่ของแผ่นขั้วคู่กราไฟต์

1. คุณสมบัติในการนำไฟฟ้า:

แผ่นไบโพลาร์ซึ่งเป็นขั้วไฟฟ้าของอุปกรณ์ทางเคมีไฟฟ้า มีหน้าที่ในการรวบรวมและนำกระแสไฟฟ้าเพื่อให้มั่นใจได้ว่าการผลิตพลังงานไฟฟ้ามีประสิทธิภาพ
2. การจ่ายก๊าซ:

ด้วยการออกแบบช่องทางการไหล แผ่นขั้วคู่จะกระจายก๊าซปฏิกิริยาไปยังชั้นตัวเร่งปฏิกิริยาอย่างสม่ำเสมอ ซึ่งช่วยส่งเสริมปฏิกิริยาทางเคมีไฟฟ้า
3. การแบ่งเขตปฏิกิริยา:

ในเซลล์เชื้อเพลิงหรือเครื่องแยกน้ำด้วยไฟฟ้า แผ่นขั้วคู่จะแยกบริเวณแอโนดและแคโทดออกจากกัน เพื่อป้องกันไม่ให้ก๊าซผสมกัน
4. การระบายความร้อนและการระบายน้ำ:

แผ่นขั้วคู่ช่วยควบคุมอุณหภูมิการทำงานของอุปกรณ์และระบายน้ำหรือผลพลอยได้อื่นๆ ที่เกิดขึ้นจากปฏิกิริยา
5. ระบบค้ำยันเชิงกล:

แผ่นขั้วคู่ช่วยรองรับโครงสร้างของอิเล็กโทรดเมมเบรน ทำให้มั่นใจได้ถึงเสถียรภาพและความทนทานของอุปกรณ์

เหตุใดจึงเลือกใช้กราไฟต์เป็นวัสดุสำหรับแผ่นขั้วคู่?

คุณสมบัติทางวัสดุของแผ่นขั้วคู่กราไฟต์
●การนำไฟฟ้าสูง:

ความต้านทานจำเพาะของกราไฟต์นั้นต่ำเพียง 10-15 μΩ·cm (ดีกว่า 100-200 μΩ·cm ของวัสดุอื่น)แผ่นไบโพลาร์โลหะ) .

●ความต้านทานต่อการกัดกร่อน:

แทบไม่มีการกัดกร่อนในสภาพแวดล้อมที่เป็นกรดของเซลล์เชื้อเพลิง (pH 2-3) และอายุการใช้งานสามารถยาวนานกว่า 20,000 ชั่วโมง

●น้ำหนักเบา:

ความหนาแน่นอยู่ที่ประมาณ 1.8 กรัม/ซม³ (7-8 กรัม/ซม³ สำหรับแผ่นขั้วคู่โลหะ) ซึ่งเป็นประโยชน์ในการลดน้ำหนักในการใช้งานกับยานยนต์

●คุณสมบัติกั้นก๊าซ:

โครงสร้างที่หนาแน่นของกราไฟต์สามารถป้องกันการแทรกซึมของไฮโดรเจนได้อย่างมีประสิทธิภาพและมีความปลอดภัยสูง

●การประมวลผลที่ง่าย:

วัสดุกราไฟต์นั้นแปรรูปได้ง่าย และสามารถปรับแต่งการออกแบบและขนาดของช่องทางการไหลที่ซับซ้อนได้ตามความต้องการ

แผ่นขั้วไฟฟ้าแบบสองขั้วที่ทำจากกราไฟต์ผลิตขึ้นได้อย่างไร?

กระบวนการผลิตของแผ่นไบโพลาร์กราไฟต์ประกอบด้วยสิ่งต่อไปนี้:
●การเตรียมวัตถุดิบ:

ใช้กราไฟต์ธรรมชาติหรือผงกราไฟต์สังเคราะห์ที่มีความบริสุทธิ์สูง (>99.9%)

เติมเรซิน (เช่น เรซินฟีนอล) เป็นสารยึดเกาะเพื่อเพิ่มความแข็งแรงเชิงกล

●การขึ้นรูปด้วยการอัด:

วัสดุผสมจะถูกฉีดเข้าไปในแม่พิมพ์และอัดขึ้นรูปภายใต้อุณหภูมิสูง (200-300℃) และแรงดันสูง (>100 MPa)

●กระบวนการกราไฟต์:

การให้ความร้อนที่อุณหภูมิ 2500-3000 องศาเซลเซียสในบรรยากาศเฉื่อยจะทำให้ธาตุที่ไม่ใช่คาร์บอนระเหยและก่อตัวเป็นโครงสร้างกราไฟต์ที่มีความหนาแน่นสูง

●กำลังประมวลผลรันเนอร์:

ใช้เครื่อง CNC หรือเลเซอร์ในการแกะสลักร่องคดเคี้ยว ร่องขนาน หรือร่องสลับฟันปลา (ความลึก 0.5-1 มม.)

●การเตรียมพื้นผิว:

การเคลือบด้วยเรซินหรือโลหะ (เช่น ทองคำ ไทเทเนียม) ช่วยลดความต้านทานการสัมผัสและเพิ่มความทนทานต่อการสึกหรอ

แผ่นขั้วคู่กราไฟต์มีการใช้งานอย่างไรบ้าง?

1. เซลล์เชื้อเพลิง:

- เซลล์เชื้อเพลิงเมมเบรนแลกเปลี่ยนโปรตอน (PEMFC)

- เซลล์เชื้อเพลิงออกไซด์แข็ง (SOFC)

- เซลล์เชื้อเพลิงเมทานอลโดยตรง (DMFC)

2. เครื่องแยกน้ำด้วยไฟฟ้า:

- การผลิตไฮโดรเจนโดยการแยกน้ำด้วยไฟฟ้า

- อุตสาหกรรมคลอร์-อัลคาไล

3. ระบบกักเก็บพลังงาน:

- แบตเตอรี่แบบไหลเวียน

4. อุตสาหกรรมเคมี:

- เครื่องปฏิกรณ์ไฟฟ้าเคมี

5. การวิจัยในห้องปฏิบัติการ:

- การพัฒนาและทดสอบต้นแบบเซลล์เชื้อเพลิงและเครื่องแยกน้ำด้วยไฟฟ้า

สรุป

แผ่นขั้วคู่กราไฟต์แผ่นกราไฟต์แบบสองขั้วเป็นส่วนประกอบหลักของอุปกรณ์ทางเคมีไฟฟ้า เช่น เซลล์เชื้อเพลิงและเครื่องแยกน้ำด้วยไฟฟ้า และมีหน้าที่หลายอย่าง เช่น การนำไฟฟ้า การกระจายก๊าซ และการแยกพื้นที่ปฏิกิริยา ด้วยการพัฒนาเทคโนโลยีพลังงานสะอาด แผ่นกราไฟต์แบบสองขั้วจึงถูกนำมาใช้มากขึ้นในยานยนต์พลังงานใหม่ ระบบกักเก็บพลังงาน การผลิตไฮโดรเจนทางเคมี และสาขาอื่นๆ