Bipolaire platen: de 'ruggengraat' en 'snelwegen' van brandstofcellen

In de complexe en ingewikkelde interne wereld van een brandstofcel, als de membraanelektrode-eenheid het "hart" is dat verantwoordelijk is voor de energieopwekking, dan bipolaire plaat is de "ruggengraat" die de gehele batterijstructuur ondersteunt en de "snelweg" die zorgt voor een soepele doorstroming van levensondersteunende elementen.

Dit ogenschijnlijk eenvoudige onderdeel is in feite cruciaal voor het bepalen van het vermogen, de efficiëntie en de levensduur van de brandstofcelstapel. Het is niet alleen een structureel onderdeel, maar een kerncomponent die meerdere functies integreert, zoals stromingsveldverdeling, elektrische geleiding en warmtegeleiding. Vanuit materiaalperspectief heeft de ontwikkeling van bipolaire platen verschillende fasen doorlopen, elk met zijn eigen duidelijke voor- en nadelen. Het eerste veelgebruikte materiaal was grafiet. Grafiet biedt uitstekende elektrische geleiding en een uitstekende corrosiebestendigheid, waardoor het perfect bestand is tegen de langdurige uitdagingen van de zure omgeving in een brandstofcel.

De inherente broosheid van grafiet maakt bipolaire platen echter gevoelig voor beschadiging tijdens de verwerking en assemblage. Bovendien moeten ze vaak relatief dik worden gemaakt om voldoende gasdichtheid te bereiken, wat de volumetrische vermogensdichtheid van de brandstofcelstapel beperkt. Om deze nadelen te overwinnen, ontstonden metalen bipolaire platen, voornamelijk gemaakt van roestvrij staal of titaniumlegeringen. Het grootste voordeel van metalen bipolaire platen ligt in hun hoge mechanische sterkte en uitzonderlijke elektrische en thermische geleidbaarheid, waardoor ze extreem dun kunnen worden gemaakt, waardoor de brandstofcelstapel compacter wordt en een hogere vermogensdichtheid bereikt. Metalen worden echter geconfronteerd met ernstige corrosieproblemen in de operationele omgeving van brandstofcellen. Eenmaal gecorrodeerd, neemt niet alleen de contactweerstand toe, waardoor de efficiëntie afneemt, maar kan de uitloging van metaalionen ook de katalysator vergiftigen.

Daarom moet een corrosiebestendige coating, zoals goud, platina of een koolstofhoudende coating, op het oppervlak worden aangebracht, wat ongetwijfeld de productiekosten en de procescomplexiteit verhoogt. De laatste jaren zijn bipolaire platen van composietmateriaal een nieuwe onderzoeksrichting geworden. Deze worden meestal gemaakt door geleidende vulstoffen zoals grafiet of roet te mengen met polymeerharsen (zoals polypropyleen) en gevormd via spuitgieten. Ze combineren de corrosiebestendigheid van grafiet met de vormbaarheid van kunststoffen, wat massaproductie vergemakkelijkt en voordelen biedt op het gebied van lichtgewicht. Hun elektrische geleidbaarheid en mechanische sterkte liggen echter over het algemeen tussen die van grafiet en metaal, wat een belangrijk compromis vormt in de huidige technologie. De operationele modus van een bipolaire plaat is een voorbeeld van parallelle multitasking, en de functies ervan kunnen worden samengevat in drie aspecten. De primaire functie is het kanaliseren van de reactanten. Via nauwkeurig bewerkte stroomkanalen aan één zijde, vergelijkbaar met miniatuur "snelwegen", wordt waterstof gelijkmatig aan de anodekatalysatorlaag en oxidatiemiddel (zuurstof uit de lucht) aan de kathodekatalysatorlaag geleverd, waardoor het gehele reactiegebied efficiënt deelneemt aan de energieopwekking. Tegelijkertijd is het ontwerp van deze stromingskanalen zeer wetenschappelijk: ze moeten zorgen voor een gelijkmatige gasverdeling, dode zones vermijden en ook effectief het door de reactie geproduceerde water afvoeren om "overstroming" te voorkomen die de kanalen zou kunnen blokkeren. De tweede kernfunctie is het verzamelen en geleiden van elektrische stroom. De bipolaire plaat fungeert als een stroomcollector: hij verzamelt de elektrische stroom die door elke membraanelektrode (enkele cel) wordt gegenereerd en verbindt de cellen serieel door zijn eigen sterk geleidende eigenschappen, waardoor uiteindelijk de vereiste spanning en het vereiste vermogen worden geleverd. De elektrische geleidbaarheid van het materiaal bepaalt direct de interne weerstandsverliezen in dit proces. De derde belangrijke rol is warmteafvoer en waterbeheer.

De reactie in de brandstofcel genereert warmte; de ​​bipolaire plaat, die als thermische geleiding dient, moet deze warmte snel afvoeren om de stack binnen een geschikt bedrijfstemperatuurbereik te houden. Ondertussen wordt het water dat bij de kathode wordt gegenereerd gedeeltelijk verwijderd door de overtollige luchtstroom. Het ontwerp van het stromingsveld en de hydrofiele/hydrofobe behandeling van de bipolaire plaat zijn cruciaal voor de effectieve verwijdering van dit water. De prestaties van de bipolaire plaat bepalen daarom direct de algehele efficiëntie van de brandstofcelstack.

Een ideale bipolaire plaat moet de optimale balans vinden tussen geleidbaarheid en corrosiebestendigheid, sterkte en dunheid, gasstroom en waterbeheer, productiekosten en levensduur. Of de plaat nu gemaakt is van grafiet, metaal of composietmaterialen, het ontwikkelingsdoel blijft hetzelfde: de bredere commercialisering van brandstofcellen ondersteunen met lagere kosten en betrouwbaardere prestaties. Elke vooruitgang in de bipolaire plaattechnologie is een belangrijke stap in de richting van de brede acceptatie van brandstofcellen.