Графитовые биполярные пластины для проточных батарей и топливных элементов

Графитовые биполярные пластины для проточных батарей и топливных элементов Введение

Графитовые биполярные пластины являются важнейшим компонентом как проточных батарей, так и топливных элементов. Они выполняют несколько жизненно важных функций, внося значительный вклад в производительность, эффективность и долговечность этих устройств для хранения и преобразования энергии.

Функции графитовых биполярных пластин:

Электропроводность: они проводят электроны между отдельными ячейками в стопке, соединяя анод одной ячейки с катодом соседней ячейки. Это необходимо для замыкания электрической цепи и обеспечения протекания тока. Графит, будучи хорошим электрическим проводником, облегчает этот процесс.

Распределение газа/электролита: они содержат каналы (поля потока), которые равномерно распределяют топливо (например, водород в топливных элементах) или электролит (в проточных батареях) по поверхности электрода. Это гарантирует эффективную доставку реагентов к активным участкам, максимизируя производительность. Конструкция этих полей потока имеет решающее значение для оптимальной производительности.

Разделение реагентов/электролитов: они действуют как физические барьеры, разделяя реагенты (топливо и окислитель в топливных элементах) или электролиты друг от друга и предотвращая перекрестное смешивание. Это имеет решающее значение для поддержания чистоты электрохимических реакций и предотвращения нежелательных побочных реакций.

Структурная поддержка: Они обеспечивают механическую поддержку стека ячеек, сохраняя целостность и предотвращая деформацию электродов и мембран.

Управление теплом: Они могут помочь рассеивать тепло, выделяемое электрохимическими реакциями внутри ячеек. Это важно для поддержания оптимальной рабочей температуры и предотвращения перегрева, который может ухудшить производительность или повредить компоненты.

Почему графит? (Преимущества графита как материала для биполярных пластин):

Высокая электропроводность: графит является отличным электрическим проводником, сводя к минимуму омические потери и максимизируя эффективность стека ячеек.

Хорошая теплопроводность: графит демонстрирует хорошую теплопроводность, облегчая рассеивание тепла.

Химическая инертность/коррозионная стойкость: графит относительно инертен и устойчив к коррозии в агрессивных химических средах, встречающихся в топливных элементах и проточных батареях (кислотные или щелочные электролиты). Это обеспечивает долговременную стабильность и долговечность.

Легкость: по сравнению с металлами графит относительно легкий, что выгодно для применений, где вес имеет значение (например, транспортировка).

Относительно низкая стоимость (по сравнению с альтернативами): хотя графит и не является самым дешевым материалом в целом, он, как правило, более экономически эффективен, чем многие другие материалы, которые предлагают аналогичные эксплуатационные характеристики, особенно при учете таких факторов, как коррозионная стойкость.

Обрабатываемость: графит можно легко обрабатывать в сложные формы, что позволяет создавать замысловатые конструкции полей потока.

Типы графитовых биполярных пластин:

Пористые графитовые пластины: обычно изготавливаются из спрессованных частиц графита. Они, как правило, менее дороги, но имеют более высокую проницаемость и более низкую механическую прочность.

Плотные/твердые графитовые пластины: изготавливаются из графитовых материалов с более высокой плотностью и обеспечивают улучшенную механическую прочность и газонепроницаемость.

Композитные графитовые пластины: в них графит сочетается с другими материалами (например, полимерами, смолами или металлами) для улучшения определенных свойств, таких как механическая прочность, газонепроницаемость или коррозионная стойкость. Распространенными примерами являются графит-полимерные композиты и графит-металлические композиты. Их часто называют «биполярными пластинчатыми композитами».

Конструкции поля потока:

Конструкция полей потока на биполярных пластинах имеет решающее значение для оптимизации производительности. Распространенные конструкции полей потока включают:

Змеевидные поля потока: они имеют один извилистый канал, который заставляет реагенты/электролиты течь по всей поверхности электрода. Они обеспечивают хорошее использование реагентов, но могут привести к более высоким перепадам давления.

Параллельные поля потока: они состоят из нескольких параллельных каналов, которые распределяют реагенты/электролиты по поверхности электрода. Они имеют более низкие перепады давления, но могут страдать от неравномерного распределения реагентов.

Встречно-гребенчатые поля потока: они имеют чередующиеся каналы для топлива и окислителя/электролита, заставляя их течь противоточным образом. Это может улучшить массоперенос и производительность.

Сетчатые поля потока: они используют сеть взаимосвязанных каналов для распределения реагентов/электролитов.

Производственные процессы:

Обработка: Графитовые пластины часто подвергаются механической обработке для создания желаемых схем поля потока.

Формование: Композитные биполярные пластины могут быть отформованы для создания сложных форм.

Компрессионное формование: Графитовые порошки могут быть спрессованы в желаемую форму.

Трафаретная печать/покрытие: Проводящие покрытия могут быть нанесены на графитовые пластины для улучшения проводимости или коррозионной стойкости.

Конкретные применения:

Топливные элементы с протонообменной мембраной (PEMFC): графитовые биполярные пластины широко используются в PEMFC, где они проводят электроны, распределяют водород и воздух и разделяют газы.

Топливные элементы с прямым метанолом (DMFC): подобно PEMFC, графитовые биполярные пластины используются в DMFC.

Проточные окислительно-восстановительные батареи (RFB): графитовые биполярные пластины используются в RFB для проведения электронов и распределения электролитных растворов по электродам. Проточные ванадиевые окислительно-восстановительные батареи (VRFB) являются распространенным применением.

Проточные цинк-бромные батареи (Zn-Br батареи): графитовые биполярные пластины также используются в этих батареях.