Биполярные пластины: «позвоночник» и «магистрали» топливных элементов

В сложном и запутанном внутреннем мире топливный элемент, если мембранно-электродный узел является «сердцем», ответственным за выработку энергии, то биполярная пластина является «хребтом», поддерживающим всю конструкцию батареи, и «магистралью», обеспечивающей бесперебойный поток жизнеобеспечивающих элементов.

Этот, казалось бы, простой компонент на самом деле критически важен для определения выходной мощности, эффективности и срока службы батареи топливных элементов. Это не просто конструктивная часть, а ключевой компонент, объединяющий множество функций, таких как распределение поля потока, электропроводность и теплопроводность. С точки зрения материалов, развитие биполярных пластин прошло через отдельные этапы, каждый из которых имел свои явные преимущества и недостатки. Первым широко используемым материалом был графит. Графит обладает превосходной электропроводностью и исключительной коррозионной стойкостью, что делает его идеально подходящим для длительной эксплуатации в кислой среде внутри топливного элемента.

Однако присущая ему хрупкость делает графитовые биполярные пластины склонными к повреждениям во время обработки и сборки. Более того, для достижения достаточной газонепроницаемости их часто необходимо делать относительно толстыми, что ограничивает объемную плотность мощности батареи топливных элементов. Чтобы преодолеть эти недостатки, появились металлические биполярные пластины, в основном из нержавеющей стали или титановых сплавов. Наибольшее преимущество металлических биполярных пластин заключается в их высокой механической прочности и исключительной электро- и теплопроводности, что позволяет делать их чрезвычайно тонкими, тем самым делая батарею топливных элементов более компактной и достигая более высокой плотности мощности. Однако металлы сталкиваются с серьезными проблемами коррозии в условиях эксплуатации топливных элементов. После коррозии не только увеличивается контактное сопротивление, снижая эффективность, но и выщелачивание ионов металла может также отравить катализатор.

Следовательно, на поверхность необходимо наносить коррозионно-стойкое покрытие, такое как золото, платина или покрытие на основе углерода, что, несомненно, увеличивает производственные затраты и сложность процесса. В последние годы биполярные пластины из композитных материалов стали новым направлением исследований. Они, как правило, изготавливаются путем смешивания проводящих наполнителей, таких как графит или сажа, с полимерными смолами (например, полипропиленом) и формуются методом литья под давлением. Они сочетают в себе коррозионную стойкость графита с формуемостью пластика, что облегчает массовое производство и дает преимущества в виде снижения веса. Однако их электропроводность и механическая прочность, как правило, занимают промежуточное положение между графитом и металлом, что представляет собой важный компромисс в современных технологиях. Режим работы биполярной пластины является парадигмой параллельной многозадачности, и ее функции можно суммировать в трех аспектах. Основная функция — направлять реагирующие газы. Через прецизионно обработанные проточные каналы с одной стороны, подобные миниатюрным «магистралям», он равномерно подает водородное топливо к слою анодного катализатора и окислитель (кислород из воздуха) к слою катодного катализатора, обеспечивая эффективное участие всей реакционной зоны в выработке энергии. При этом конструкция этих проточных каналов носит научно обоснованный характер: они должны обеспечивать равномерное распределение газа, избегать мертвых зон и эффективно удалять воду, образующуюся в ходе реакции, чтобы предотвратить «затопление», которое может заблокировать каналы. Вторая основная функция — сбор и проведение электрического тока. Биполярная пластина действует как токосъемник, собирая электрический ток, генерируемый каждым мембранно-электродным узлом (отдельной ячейкой), и последовательно соединяя ячейки благодаря своей высокой проводимости, в конечном итоге выдавая необходимое напряжение и мощность. Электропроводность материала пластины напрямую определяет потери внутреннего сопротивления в этом процессе. Третья ключевая функция — рассеивание тепла и управление расходом воды.

Реакция в топливном элементе генерирует тепло; биполярная пластина, служащая проводником тепла, должна быстро отводить это тепло для поддержания батареи в рабочем диапазоне температур. При этом вода, образующаяся на катоде, частично удаляется избыточным потоком воздуха, и конструкция поля тока и гидрофильная/гидрофобная обработка биполярной пластины имеют решающее значение для эффективного удаления этой воды. Таким образом, характеристики биполярной пластины напрямую определяют общую эффективность батареи топливных элементов.

Идеальная биполярная пластина должна обеспечивать оптимальный баланс между проводимостью и коррозионной стойкостью, прочностью и толщиной, газовым потоком и управлением водой, стоимостью производства и сроком службы. Независимо от того, изготовлена ​​ли пластина из графита, металла или композитных материалов, цель разработки остаётся неизменной: способствовать более широкому развитию топливных элементов, снижая затраты и повышая надёжность работы. Можно сказать, что каждое достижение в технологии биполярных пластин — это значительный шаг на пути к широкому внедрению топливных элементов.