แผ่นไบโพลาร์กราไฟท์คืออะไร?

แผ่นไบโพลาร์กราไฟท์เป็นส่วนประกอบสำคัญที่ใช้ในอุปกรณ์ไฟฟ้าเคมี เช่น เซลล์เชื้อเพลิงและเครื่องอิเล็กโทรไลเซอร์ ซึ่งมักทำจากวัสดุกราไฟต์ที่มีความบริสุทธิ์สูง มีบทบาทสำคัญในปฏิกิริยาไฟฟ้าเคมี โดยส่วนใหญ่ใช้ในการนำกระแสไฟฟ้า จ่ายก๊าซปฏิกิริยา (เช่น ไฮโดรเจนและออกซิเจน) และแยกพื้นที่ปฏิกิริยา เนื่องจากทั้งสองด้านของแผ่นสัมผัสกับขั้วบวกและขั้วลบของเซลล์เดี่ยวที่อยู่ติดกัน ทำให้เกิดโครงสร้างแบบ "สองขั้ว" (ด้านหนึ่งเป็นสนามการไหลของขั้วบวก และอีกด้านหนึ่งเป็นสนามการไหลของขั้วลบ) จึงเรียกว่าแผ่นสองขั้ว

โครงสร้างแผ่นไบโพลาร์กราไฟท์

แผ่นไบโพลาร์กราไฟต์โดยปกติประกอบด้วยชิ้นส่วนต่างๆ ดังต่อไปนี้:
1. สนามการไหล:พื้นผิวของแผ่นไบโพลาร์ได้รับการออกแบบด้วยโครงสร้างสนามการไหลที่ซับซ้อนเพื่อกระจายก๊าซปฏิกิริยา (เช่น ไฮโดรเจน ออกซิเจน หรืออากาศ) อย่างสม่ำเสมอและระบายน้ำที่เกิดขึ้น

2. ชั้นนำไฟฟ้า:วัสดุกราไฟท์มีคุณสมบัตินำไฟฟ้าได้ดีและสามารถนำกระแสไฟฟ้าได้อย่างมีประสิทธิภาพ

3. พื้นที่ปิดผนึก:ขอบของแผ่นไบโพลาร์โดยทั่วไปได้รับการออกแบบโดยมีโครงสร้างปิดผนึกเพื่อป้องกันการรั่วไหลของแก๊สและการแทรกซึมของของเหลว

4. ช่องระบายความร้อน (ทางเลือก):ในการใช้งานประสิทธิภาพสูงบางประเภท อาจออกแบบช่องระบายความร้อนภายในแผ่นไบโพลาร์เพื่อควบคุมอุณหภูมิการทำงานของอุปกรณ์

หน้าที่ของแผ่นไบโพลาร์กราไฟท์

1. ฟังก์ชันการนำไฟฟ้า:

แผ่นไบโพลาร์ซึ่งเป็นอิเล็กโทรดของอุปกรณ์ไฟฟ้าเคมี ทำหน้าที่รวบรวมและนำกระแสไฟฟ้าเพื่อให้แน่ใจว่าสามารถจ่ายพลังงานไฟฟ้าได้อย่างมีประสิทธิภาพ
2. การจำหน่ายก๊าซ :

ผ่านการออกแบบช่องไหล แผ่นไบโพลาร์จะกระจายแก๊สปฏิกิริยาอย่างสม่ำเสมอไปยังชั้นตัวเร่งปฏิกิริยา ส่งเสริมปฏิกิริยาทางไฟฟ้าเคมี
3. การแยกโซนปฏิกิริยา:

ในเซลล์เชื้อเพลิงหรือเครื่องอิเล็กโทรไลเซอร์ แผ่นไบโพลาร์จะแยกพื้นที่ขั้วบวกและขั้วลบออกจากกัน เพื่อป้องกันไม่ให้ก๊าซผสมกัน
4. การระบายความร้อนและการระบายน้ำ:

แผ่นไบโพลาร์ช่วยควบคุมอุณหภูมิการทำงานของอุปกรณ์ และระบายน้ำหรือผลพลอยได้อื่นๆ ที่เกิดจากปฏิกิริยา
5. การรองรับทางกล:

แผ่นไบโพลาร์ช่วยรองรับโครงสร้างของอิเล็กโทรดเมมเบรน ช่วยให้มั่นใจถึงความเสถียรและความทนทานของอุปกรณ์

เหตุใดจึงควรเลือกกราไฟท์เป็นวัสดุแผ่นไบโพลาร์?

คุณสมบัติของวัสดุแผ่นไบโพลาร์กราไฟท์
มีสภาพนำไฟฟ้าสูง:

ค่าความต้านทานรวมของกราไฟท์ต่ำถึง 10-15μΩ.cm (ดีกว่า 100-200 μΩ·cm ของแผ่นโลหะสองขั้ว-

ความต้านทานการกัดกร่อน:

แทบไม่มีการกัดกร่อนในสภาพแวดล้อมที่มีกรดของเซลล์เชื้อเพลิง (pH 2-3) และอายุการใช้งานสามารถยาวนานได้มากกว่า 20,000 ชั่วโมง

น้ำหนักเบา:

ความหนาแน่นอยู่ที่ประมาณ 1.8 g/cm3 (7-8 g/cm3 สำหรับแผ่นโลหะไบโพลาร์) ซึ่งเป็นประโยชน์ต่อการลดน้ำหนักในการใช้งานยานพาหนะ

คุณสมบัติกั้นแก๊ส:

โครงสร้างที่หนาแน่นของกราไฟท์สามารถป้องกันการแทรกซึมของไฮโดรเจนได้อย่างมีประสิทธิภาพและมีความปลอดภัยสูง

การประมวลผลที่ง่ายดาย:

วัสดุกราไฟต์นั้นง่ายต่อการประมวลผลและสามารถปรับแต่งการออกแบบและขนาดช่องการไหลที่ซับซ้อนได้ตามความต้องการ

แผ่นกราไฟท์ไบโพลาร์ผลิตขึ้นอย่างไร?

ขั้นตอนการผลิตของแผ่นไบโพลาร์กราไฟท์รวมถึงสิ่งต่อไปนี้:
การเตรียมวัตถุดิบ:

ใช้ผงกราไฟท์ธรรมชาติหรือกราไฟท์เทียมที่มีความบริสุทธิ์สูง (>99.9%)

เพิ่มเรซิน (เช่น เรซินฟีนอลิก) เป็นสารยึดเกาะเพื่อเพิ่มความแข็งแรงเชิงกล

การขึ้นรูปโดยการอัด:

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

การบำบัดด้วยกราไฟไทเซชัน:

การให้ความร้อนถึง 2,500-3,000℃ ในบรรยากาศเฉื่อยทำให้ธาตุที่ไม่มีคาร์บอนระเหยและสร้างโครงสร้างกราไฟท์ที่หนาแน่น

การประมวลผลของนักวิ่ง:

ใช้เครื่อง CNC หรือเลเซอร์แกะสลักช่องร่องคดเคี้ยว ช่องขนาน หรือช่องสลับ (ความลึก 0.5-1 มม.)

การบำบัดพื้นผิว:

การชุบด้วยเรซินหรือการเคลือบโลหะ (เช่น ทอง ไททาเนียม) จะช่วยลดความต้านทานการสัมผัสและปรับปรุงความทนทานต่อการสึกหรอ

แผ่นไบโพลาร์กราไฟต์มีการใช้งานอะไรบ้าง?

1.เซลล์เชื้อเพลิง:

- เซลล์เชื้อเพลิงเมมเบรนแลกเปลี่ยนโปรตอน (PEMFC)

- เซลล์เชื้อเพลิงออกไซด์ของแข็ง (SOFC)

- เซลล์เชื้อเพลิงเมทานอลโดยตรง (DMFC)

2. เครื่องอิเล็กโทรไลเซอร์:

- การผลิตไฮโดรเจนด้วยไฟฟ้าจากน้ำ

- อุตสาหกรรมคลอร์อัลคาไล

3. ระบบการกักเก็บพลังงาน:

- แบตเตอรี่ไหล

4. อุตสาหกรรมเคมี:

- เครื่องปฏิกรณ์ไฟฟ้าเคมี

5. การวิจัยในห้องปฏิบัติการ:

- การพัฒนาต้นแบบและการทดสอบเซลล์เชื้อเพลิงและอิเล็กโทรไลเซอร์

สรุป

แผ่นไบโพลาร์กราไฟท์เป็นส่วนประกอบหลักของอุปกรณ์ไฟฟ้าเคมี เช่น เซลล์เชื้อเพลิงและอิเล็กโทรไลเซอร์ และมีฟังก์ชันมากมาย เช่น การนำไฟฟ้า การจ่ายก๊าซ และการแยกพื้นที่ปฏิกิริยา ด้วยการพัฒนาเทคโนโลยีพลังงานสะอาด แผ่นไบโพลาร์กราไฟต์จึงถูกนำมาใช้ในยานยนต์พลังงานใหม่ ระบบกักเก็บพลังงาน การผลิตไฮโดรเจนทางเคมี และสาขาอื่นๆ มากขึ้น