Polimer elektrolit membran yakıt hücresi akış alanı plakası: malzemeler ve üretim süreci
Bu makale, akış alanı plakalarında (FFP) kullanılan grafit, metal ve kompozit malzemeleri ve bunların üretim yöntemlerini tartışmaktadır.
Yüksek maliyet nedeniyle, grafit akış alanı plakaları (FFP) şu anda çok popüler değildir ve çoğunlukla prototipleme uygulamaları için kullanılır.
Metal akış alanı plakalarının (FFP'ler) uygun maliyetli ve tamamen korozyona dayanıklı alternatifler sağlaması zordur, ancak yüksek performans potansiyelleri nedeniyle araştırmalar devam etmektedir.
Düşük maliyet, yeterli güç ve iletkenlik nedeniyle, kompozit FFP'ler, özellikle polimer / karbon FFP'ler giderek daha popüler hale geliyor.
Çalışmalar, ısıyla sertleşen polimerlerin (epoksi reçineler ve fenolik reçineler gibi) ve esnek grafit veya sinerjik karbon karışımlarının sıkıştırılarak kalıplanmasının bir trend olduğunu göstermiştir.
Endüstriyel bir bakış açısından, düşük maliyetli, düşük performanslı kompozit FFP ile yüksek maliyetli, yüksek performanslı kaplamalı metal FFP arasında bir gerilim var gibi görünüyor.
Her uygulamanın maliyet ve performans önceliği, seri üretim için en uygun FFP malzemesini belirleyecektir.
Akış alanı plakasının performans özellikleri şunları içerir: mekanik özellikler (eğilme mukavemeti), sıkıştırma özellikleri, elektriksel özellikler (direnç veya iletkenlik), arayüz temas direnci (ICR), akım dağılımı, aşındırma, gaz geçirgenliği, su oluşumu vb.
Metal FFP'nin çözmesi gereken temel sorun, arayüz temas direncini azaltmak ve korozyon direncini iyileştirmektir; kompozit FFP ile çözülmesi gereken temel sorun, hacim iletkenliğini artırmak ve gaz geçirgenliğini azaltmaktır.
Makalenin sonuna, taşımada kullanılan akış alanı plakaları için DOE'nin performans göstergeleri eklenmiştir.
Polimer elektrolit membran yakıt hücresi akış alanı plakası: malzemeler ve üretim süreci
P.J.Hamilton1, B.GPollet1 *
PEMFuelCell Araştırma Grubu, Kimya Mühendisliği Okulu, Birmingham Üniversitesi
Hidrojen ve Elektrik İleri Sanayi Araştırma Enstitüsü (GGII ) Derleyin
Bu makale, Birmingham Üniversitesi Kimya Mühendisliği Okulu'ndan P.J. Hamilton ve B. Gpollet tarafından FullCell'de yayınlanan bir makaleden bir alıntı derlemesidir.
Dergi URL'si:
https://onlinelibrary.wiley.com/journal/16156854
Birçok araştırmacı Borup ve Vanderborgh, Mehta ve Cooper, Hermann, Yuan ve Brett ve Brandon gibi akış alanı plakalarının (FFP'ler) malzemelerini ve üretim süreçlerini inceledi. Şu anda FFP'nin gaz geçirimsizliği, elektriksel iletkenlik, mekanik dayanım, korozyon direnci, imalat kolaylığı ve düşük maliyet gibi tüm özelliklerini tam olarak karşılayabilecek bir malzeme bulunmamaktadır. Bu nedenle, amaçlanan uygulama için en avantajlı malzemeyi sağlamak için çeşitli özellikler arasında bir değiş tokuş yapılmalıdır. FFP malzemeleri kabaca iki kategoriye ayrılabilir: metal veya karbon bazlı malzemeler. Şekil 1'de gösterildiği gibi, bu malzeme grupları ayrıca kompozit malzemeler ve kaplanmış metaller olarak alt gruplara ayrılabilir.
Şekil 1 FFP malzemelerine genel bakış
1 Metal akış alanı plakası
Başlangıçta, metal malzemeler mükemmel elektriksel ve termal iletkenliğe, düşük hava geçirgenliğine, potansiyel düşük maliyete sahiptir, genellikle imalatı kolaydır ve çok ince yapılabilir (PEMFC'nin güç yoğunluğunu arttırır), akış alanı plakası malzemesi olarak büyük avantajlara sahiptir. . Şu anda, metal akış alanı plakaları üreten ve kullanan şirketler arasında Cellimpact ve Intelligent Energy bulunmaktadır.
Bununla birlikte, metallerin temel dezavantajı, yakıt hücresi içindeki aşındırıcı bir ortamda (düşük pH, yüksek nem ve yaklaşık 80 ° C sıcaklık) kimyasal olarak kararsız olmalarıdır. Bu ortamda, metal yüzeyde elektriksel olarak yalıtkan bir tabaka oluşacak ve metal iyonları MEA'ya sızacaktır. Ek olarak, metal plaka ile GDL arasındaki arayüz temas direnci (ICR) çok yüksektir (özellikle sıkıştırma derecesi düşük olduğunda), bu da pil direncini artırır.
Yüksek performanslı değerli metaller gibi kararlı kimyasal özelliklere sahip metaller de vardır, ancak bu metaller endüstriyel uygulamalar için çok pahalıdır. Tipik akış alanı plakası (FFP) metalleri arasında paslanmaz çelik, alüminyum, titanyum ve nikel / krom alaşımları bulunur. İşleme teknikleri arasında CNC frezeleme, köpükleme, kalıp döküm, dağlama ve damgalama / kabartma bulunur. Üretim süresinin çok kısa olması nedeniyle, mevcut damgalama işlemi seri üretime en uygun gibi görünmektedir.Şu anda Cellimpact, damgalama işlemini kullanmaktadır.
Korozyon sorunu göz önüne alındığında, daha ümit verici bir çözüm, baz metali korumak için bir kaplama kullanmaktır. Metal akış alanı plakaları (FFP), metaller, karbon, polimerler ve bunların kombinasyonları dahil olmak üzere çeşitli kaplama malzemelerine sahiptir. Kaplama seçilirken, yakıt hücresinin termal döngüsünün neden olduğu çatlama ve / veya delaminasyondan kaçınmak için substrat ve kaplama malzemesinin benzer bir termal genleşme katsayısına (CTE) sahip olması gerekir.
Substrat ve kaplama malzemesi arasındaki termal genleşme katsayısındaki (CTE) fark, bir ara kaplama ile azaltılabilir, ancak bu, daha fazla işlem süresi ve maliyeti (malzemeler ve kaplama işlemleri dahil) artırır. Ek olarak, kaplama, yakıt hücresi kümesindeki mekanik sıkıştırma kuvvetlerine dayanabilmeli ve ana metal ile iyi bir bağ kurabilmelidir.
2009 DOE ve Oak Ridge Ulusal Laboratuvarı (ORNL) raporu, 0.1 mm damgalı paslanmaz çelik sacların nitrürleme işlemine odaklandı. Bu araştırmanın amacı, arayüz temas direncini azaltmak, akış alanı plakasının korozyon direncini iyileştirmek ve FFP maliyetinin DOE nakliye alanının maliyet hedefini karşılamasını sağlamaktır.
2 Grafit akış alanı plakası
Metal çift kutuplu plakaların korozyon problemini çözmek için FFP üretmek için grafit kullanılır. Ticarileştirildi ve ana üreticiler Poco ve SGLcarbon'dur. Grafit malzemeler iyi elektrik iletkenliği, korozyon direnci ve düşük yoğunluk avantajlarına sahiptir. Ancak bazı bariz eksiklikler var. Birincisi, grafit kırılgan ve gözeneklidir.Bu nedenle, grafit akış alanı plakası daha kalındır (birkaç milimetre). Sıkıştırma istifleme işleminin bütünlüğünü sağlamak için bir emprenye işlemi gereklidir, böylece reaksiyon gazından etkilenmez.Bu nedenle, grafit yoğunluğu olmasına rağmen Düşük, ancak bu kartlar hafif değil. İkinci olarak, geleneksel grafit plakanın akış kanalı karmaşıktır ve CNC işleme süresi uzundur. Son olarak, hammadde ve işleme teknolojisinin birleşik maliyeti, prototip FFP'nin yüksek fiyatına yol açmıştır.
Kompozit FFP'ler genellikle iletken dolgu maddeleriyle (metal veya karbon) dağılmış güçlü bir yalıtım matrisinden (polimer) oluşur ve kompozit malzeme uygun elektriksel ve mekanik özelliklere sahiptir.
3.1 Metal / polimer kompozit akış alanı plakası
Metal / polimer matris kompozitler, FFP uygulamaları için araştırılan küçük bir kompozit malzeme sınıfıdır. İletkenliği ve mukavemeti artırmak için metal eklenir, ancak bu yöntemde korozyon sorunları da vardır. Kuo ve Chen, enjeksiyonla kalıplanmış bir FFP kompozit malzeme geliştirmek için hammadde olarak% 60 paslanmaz çelik elyaf ve% 40 naylon 6 elyaf kullandı. Hsiao ve arkadaşları, grafit ve modifiye karbon nanotüp polimer kompozitlerinde bakır veya alüminyumun katkılanmasını inceledi. Bakır ve alüminyum ilavesiyle, düzlem içi iletkenlik önemli ölçüde iyileştirilirken, alt düzlem boyunca iletkenlik daha da azaltılır.
3.2 Karbon / polimer kompozit akış alanı plakası
Kompozit akış alanı plakaları için kullanılabilen iki tip polimer vardır: termoplastik polimerler ve termoset polimerler. Termoplastik polimerler arasında polipropilen (PP), polietilen tereftalat (PET) ve poliviniliden florür (PVDF) bulunur. Genellikle düşük cam geçiş sıcaklığına (Tg) sahiptirler ve bu da yüksek sıcaklıklı yakıt hücrelerinde uygulamalarını sınırlar. Bununla birlikte, Tablo 1'de gösterildiği gibi, bazı yüksek sıcaklık termoplastik polimerler, yüksek sıcaklıklı yakıt hücreleri (HT-PEFC'ler) için Derieth ve arkadaşları tarafından incelenmiştir.
Yarı kristal termoplastik polimer, yüksek Tg ve düşük erime viskozitesi (karbon dolguların iyi dağılabilirliğe sahip olmasını sağlar) nedeniyle yüksek sıcaklıkta akış alan plakaları için ideal bir matris olarak kabul edilir. PPS, yüksek kimyasal stabiliteye ve ısıl sapma sıcaklığına sahiptir, bu nedenle yüksek sıcaklık akışlı alan plakaları için daha uygundur. Wolf ve Willert-Porada ve King ve diğerleri, sıvı kristal polimer (LCP) kompozit malzemelerin akış alanı plakaları için de uygun olduğunu kanıtladılar. Daha yüksek sıcaklıklarda kararlılığı nedeniyle HT-PEFC'de potansiyel uygulamaları vardır.
Tablo 1 Yüksek sıcaklıklı kompozit malzemeler için termoplastik polimer testi
Akış alanı plakalı kompozitlerde kullanılan ikinci grup polimerler termoset malzemelerdir. Bunlar arasında vinil esterler, epoksi reçineler ve fenolik reçineler (kresoller ve fenolikler) bulunur. Termal veya kimyasal reaksiyonlarla geri döndürülemez şekilde katılaşırlar, bu nedenle yüksek sıcaklıklı kompozit akış alanı plakaları için daha uygundurlar.
Polianilin (PANI), polipirol (PANI) ve polifenilen iletken polimerler (ICP'ler), diğer polimerlerden çok daha yüksek iletkenlikleri nedeniyle iletken kompozit malzemelerin bir parçası olarak kullanılır. Taipalus ve diğerleri, Totsra ve Friedrich tarafından incelendiği üzere, bunlar genellikle diğer polimerlerle karıştırılır. Dweiri ve Sahari, PANI işleme sırasında zayıf termal stabilite nedeniyle PANI'nin akış alanı plakaları için kullanılan PP / karbon siyahı / grafit kompozitlerine eklenmeye uygun olmadığını buldu. Bac2 şu anda kompozit akış alanı plakalarına ElectroPhen® adlı patentli bir iletken polimer ekleyen tek üreticidir. Genellikle sıkıştırmalı kalıplama işlemiyle üretilen yalıtım polimeri "dış yüzeyinin" çıkarılmasına gerek olmadığından, bu yöntemin işlenmesi daha basittir (bölüm 4.2'de açıklandığı gibi).
Kompozit akış alanı plakasında kullanılan dolgu maddesi çeşitli karbonlardan seçilebilir ve bu karbonlar, pullar, küreler, lifler veya tüpler gibi farklı boyut ve boyutlarda olabilir. Çeşitli grafit, karbon siyahı, karbon fiber (CF) veya karbon nanotüp türlerini içerirler. Thongruang ve diğerleri, Dhakate ve diğerleri, Mathur ve diğerleri ve King ve diğerleri tarafından yapılan araştırmalar, elektriksel özellikleri iyileştirmek için kompozit malzemelerde bir karbon karışımının kullanılabileceğini göstermiştir. Şekil 2'de gösterildiği gibi, farklı dolgu maddeleri arasında, daha küçük parçacıkların daha büyük parçacıklar arasında köprüler oluşturabileceği ve böylece kompozit takviyenin elektro geçirgenliğinden geçebileceği sinerjik bir etki olacağını öne sürdüler.
Şekil 2 Farklı karbonlar arasındaki sinerji
Polimer kompozitlerde grafit kullanıldığında, genellikle bir takviye malzemesi değil, iletken bir malzemedir. Daha önce Lee ve arkadaşları tarafından açıklandığı gibi, bu davranışın iki etkisi vardır (bkz. Şekil 3). Birincisi, grafit içeriğinin artmasıyla kompozit malzemenin eğilme dayanımı azalır; ikincisi, grafit içeriğinin artması ile kompozit malzemenin elektriksel iletkenliği artar, ancak grafit içeriği ~% 75'e ulaştığında elektriksel iletkenlik en yüksek değere ulaşır. Polimer, grafitin tam olarak birbirine bağlanmasını sağlamak için yeterli olmadığında, iletkenlik azalacak ve boşluklar oluşacaktır. Heo ve diğerleri, grafit parçacık şeklinin etkisini araştırdı. Polimer kompozitlerde kullanıldığında, pul grafitin küresel grafite kıyasla üstün eğilme mukavemetine ve iletkenliğe sahip olduğunu buldular.
Şekil 3 Epoksi kompozitlerde artan grafit içeriğinin eğilme mukavemeti ve elektriksel iletkenlik üzerindeki etkisi
2000 yılında GrafTech International Co., Ltd. (eski adıyla UCAR), akış alanı plakaları için ilk olarak "esnek" veya genişletilmiş grafiti geliştirdi. Genişletilmiş grafit, yüksek sıcaklıkta doğal grafitin kimyasal arakatkılanmasıyla yapılır. Hazırlık işlemi sırasında, grafit düzlemler arasındaki büyük miktarda genişleme, Şekil 4'te gösterildiği gibi oldukça ağ bağlantılı bir yapı oluşturur. Genleşme malzemesi daha sonra reçine ile emprenye edilebilir ve Şekil 5'te gösterildiği gibi akış kanalları ile donatılmış bir akış alanı plakası oluşturmak için sıkıştırılabilir.
GrafTech, geçmişte akış alanı plakalarının dünyadaki yakıt hücreli araçların% 85'inde kullanıldığını ve dünyadaki 14 otobüs projesinden 12'sinin akış alanı plakalarını kullandığını iddia etmişti. Bunun başlıca nedeni, BallardPowerSystems'in yaygın kullanımıdır. Onları kullan. Genişletilmiş grafit, Li ve diğerleri tarafından grafit / fenolik kompozit FFP için bir kaplama malzemesi olarak da kullanılır. Bu, FFP'nin temas direncini azaltmak için yapılır. Düşük grafit / yüksek polimer kompozitin etkisi en önemlisidir. Şu anda DOE tarafından Ballard, GrafTech ve Huntsman şirketleriyle işbirliği içinde yazılan araştırma raporu, esas olarak bipolar plakaların yüksek sıcaklıkta çalışmasını sağlamak ve bipolar plakaların kalınlığını azaltmak için esnek grafit polimer kompozitlerini optimize etmeye adanmıştır.
Şekil 4 Genişletilmiş grafitin taranan elektron mikrografı
Lifli karbon, genellikle iletken kompozit akış alanı plakaları yapmak için kullanılır. Bunlar arasında karbon lifleri (CF), tek duvarlı karbon nanotüpler (SWCNT), çok duvarlı karbon nanotüpler (MWCNT) ve buharla büyütülmüş karbon nano lifler (VGCNF) bulunur. Lee ve arkadaşları son zamanlarda farklı karbon dolgu maddelerinin (CF, CB (karbon siyahı), MWCNT) grafit / epoksi kompozitler üzerindeki etkisini inceledi. Grafit / epoksi kompozit malzemeye belirli bir miktarda CF, CB veya MWCNT eklemek, kompozit malzemenin iletkenliğini artırabilir. İletkenliği artırma sırasının CB olduğunu buldular. < CF < MWCNT ve eğilme mukavemeti geliştirme sırası CB'dir < MWCNT < CF.
Şekil 5 Esnek grafit akış alanı plakasının üretim süreci
(Tabaka işleme; yüksek sıcaklıkta soyma fırını; toz toplayıcı; soyma tabakası; soyma tabakası toplama; soyma tabakası ve kapısı; reçine dolumu; program; sıkıştırma kalıplama; kürleme fırını; paketleme)
Grafen, tek atomlu bir grafit düzlemi olan başka bir karbon şeklidir.Yakın zamanda, grafenin bir kompozit akış alanı plakasında karbon dolgu maddesi olarak kullanılması önerilmiştir. Song ve diğerlerinin patenti, nano ölçekli grafen tabakaları (NGP) polimer kompozitlerini açıklamaktadır. Kompozit materyalin bükülme mukavemeti geliştirilir ve iletkenliğin anizotropik olduğu ve genleşmiş grafit levha kompozit materyalden daha iyi yüzey geçişi iletkenliğine sahip olduğu bulunmuştur. Bununla birlikte, akış alanı plakalarının büyük ölçekli üretimi nedeniyle, grafenin (veya CNT'ler gibi diğer pahalı karbonların) maliyetinin kullanımını sınırlaması muhtemel görünüyor.
Du'nun araştırması, yüzeyden geçen iletkenliğin ve düzlem içi eğilme mukavemetinin kompozit malzemelerde potansiyel olarak zıt özelliklere sahip olduğunu göstermektedir. Karbon dolgu bir düzleme yönlendirildiğinde, genellikle iyi bir bükülme mukavemeti üretilecektir, ancak düz düzlemin iletkenliği zayıftır ve karbon dolgu düzlem boyunca yönlendirildiğinde bunun tersi doğrudur. Dolgu maddelerinin kompozit malzemelerdeki düzeni bir dereceye kadar sadece dolgu maddelerinin özelliklerine değil, aynı zamanda üretim yöntemine de bağlıdır.
4 Kompozit akış alanı plakasının üretim yöntemi
Karbon / polimer kompozit akış alanı plakalarının üretimi için iki ana yöntem vardır: (i) enjeksiyonlu kalıplama ve (ii) sıkıştırmalı kalıplama (enjeksiyonlu kalıplama-sıkıştırmalı kalıplama adı verilen bu işlemlerin bir kombinasyonu da kullanılabilir). Önemli olarak, bu yöntemlerin her ikisi de, gaz akış kanallarının doğrudan plakaya kalıplanmasının temel avantajını sağlar. Bu, ek işleme akış alanlarının yüksek maliyetini ortadan kaldırır ve işleme maliyetlerini daha ucuz ve daha hızlı, seri üretime daha uygun hale getirir.
4.1 Enjeksiyon kalıplama
Enjeksiyon kalıplama, karbon dolgulardan ve esas olarak termoplastik polimerlerden oluşan akış alanı plakaları yapmak için kullanılmıştır. İşlem (bkz. Şekil 6), granüler kompozit karışımın dönen bir vida içeren bir ısıtma variline beslenmesini içerir. Polimer, ısıtma ve namludaki kesme kuvveti ile yumuşatılır ve bir hidrolik silindir tarafından akış alanı plaka kalıbına sürülür. Döngü süresi esas olarak, polimerin cam geçiş sıcaklığının (Tg) altına soğuması için gereken süreye bağlıdır ve cam geçiş sıcaklığı, akış alanı plakasının kalınlığı ile belirlenir.
Şekil 6 Akış alanı plakaları üretmek için kullanılan enjeksiyon kalıplamanın şematik diyagramı
Heinzel ve diğerlerinin belirttiği gibi, enjeksiyon kalıplamanın avantajları arasında 30-60 saniyelik kısa bir işlem döngüsü ve 2-10 Euro / Kg gibi potansiyel düşük bir üretim maliyeti yer alır. Mighri ve arkadaşları bunu kanıtladı. Derieth ve arkadaşları, enjeksiyonla kalıplanmış akış alanı plakasının göbeğinde ve yüzeyinde iki farklı karbon dolgu yönü buldu (bkz. Şekil 7). Çekirdek, ikisinin daha büyük bir alanını kaplar ve çekirdek alandaki grafit parçacıkları, enjeksiyon sırasında esas olarak sabit bir hız akış çizgisi boyunca yönlendirilir. Bu yönelim aynı zamanda yakıt hücresindeki akımın yönü olur. Daha küçük yüzey alanındaki grafit parçacıkları esas olarak yüzeye paralel olarak yönlendirilir. Bu yönlendirme, enjeksiyon işleminin önemli bir avantajı olabilir, çünkü grafit dolgu maddeleri genellikle elektriksel olarak anizotropiktir ve düzlemde iyi iletkenlik gösterir, ancak geçiş düzleminde zayıf iletkenlik gösterir. Bu görüş Derieth ve diğerleri ortaya koydu. Aynı dolgu yüklemesine sahip sıkıştırmalı kalıplama levhası ile karşılaştırıldığında, enjeksiyon kalıp levhası daha yüksek bir yüzey geçiş iletkenlik değerine sahiptir. ZBT şu anda yüksek oranda doldurulmuş enjeksiyonla kalıplanmış akış alanı plakalarının özgül hacim iletkenliğinin 70-120Scm-1 olduğunu iddia ediyor.
Şekil 7 Enjeksiyonla kalıplanmış akış alanı plakasının kırılma yüzeyinin enine kesiti SEM, hız akış hattı boyunca grafit oryantasyonunu gösterir
Enjeksiyon kalıplamanın ana dezavantajı, enjeksiyon bileşiğinin daha düşük bir viskozite gerektirmesi nedeniyle kullanılan sınırlı sayıda karbon dolgu maddesidir. Sorun, yüksek karbon dolgu yüzdesinin kompozit malzemeyi yeterince iletken hale getirmesidir. Bu problem aynı zamanda Taipalus ve arkadaşları tarafından incelenen çok sayıda KF kırıklarıyla da ilgilidir. Görünüşe göre büyük miktarda KF kırılması kompozitin fiziksel ve elektriksel özelliklerini azaltabilir. Immonen ve diğerleri, kompozit materyalin enjeksiyonla kalıplanması sırasında polimer yüzeyinde bir kabuk oluşması nedeniyle kompozit materyalin yüzey direncinin arttığına inanmaktadır. Bu nedenle, polimer yalıtım filmini çıkarmak için ek bir işlem gerekebilir.
4.2 Sıkıştırma kalıplama
Sıkıştırma kalıplama, çeşitli karbon dolgular ve polimerler kullanarak termoset polimer kompozitleri oluşturmak için yaygın olarak kullanılır. Yöntem (bkz. Şekil 8), polimer ve dolgunun karıştırılmasını ve karışımın ısıtılmış bir kalıba yerleştirilmesini içerir. Ardından hidrolik piston sıkıştırmasını kullanın.
Sıkıştırma basıncı, kompozit malzemenin elektriksel iletkenliği ve eğilme dayanımı üzerinde önemli bir etkiye sahiptir, bu da basınç artışı ile artar. Döngü süresi büyük ölçüde polimerin sertleşme süresine bağlıdır, ancak CNC işlemeden daha hızlıdır ve akış alanı plakası hala sıcakken çıkarılabilir. Kompozit akış alanı plakaları üreten Bulk Moulding Compounds Inc.'in kompresyon kalıplama kürleme süresi 15 saniyeye ulaştı.
Şekil 8 Kompozit akış alanı plakaları üretmek için sıkıştırma kalıplamanın şematik diyagramı
Enjeksiyon kalıplama ile karşılaştırıldığında, sıkıştırmalı kalıplamanın temel avantajı, kompozitlerde kullanılabilen karbon dolguların oranının daha yüksek olmasıdır, çünkü sıkıştırma işlemi sırasında düşük viskozite gerekli bir koşul değildir. Bu nedenle, karbon dolgu içeriği ne kadar yüksekse iletkenlik de o kadar yüksek olur. Blunk ve diğerlerine göre, sıkıştırmalı kalıplamanın dezavantajı, kompozit akış alanı plakasının mekanik sıkıştırmasının, dolgu maddesinin düzlem boyunca değil, esas olarak düzlemde hizalanmasına neden olmasıdır. Bu, yakıt hücresindeki akımın yönünün tersidir. İkinci olarak, enjeksiyon kalıplamada olduğu gibi, çıkarılması gerekebilecek bir yüzey polimer kabuğu oluşturulur.
4.3 Yeni üretim süreci
Blunk ve arkadaşları, kompozit akış alanı plakasının iletkenliğini iyileştirmenin bir yolu olarak fiber düzenleme yöntemini ve iletken bağlantı katmanı (CTL) yöntemini önermiştir. Hizalama yönteminin amacı, akış alanı plakasının düzlem içi iletkenliğini, Şekil 9'da gösterildiği gibi, düz geçişli yönlendirmeyle lifleri açığa çıkarmak için işlenebilen ilave bir platform yüksekliği ile iyileştirmektir.
Şekil 9 Kalıp geometrisinin (ek platform yüksekliğiyle) ve elyaf oryantasyonunun sayısal hesaplaması
Blunk ve arkadaşları ayrıca, FFP / GDL arayüzünün yüksek temas direncini azaltmaya çalışan bir CTL yöntemi (bkz. Şekil 10) önermiştir.
Şekil 10 İletken bağlantı katmanının mekanizması
Bu yöntemlerle yüzeyden geçiş iletkenliği iyileştirilmesine rağmen, temas direncindeki azalma, düşük yüklü ve daha yüksek mekanik özelliklere sahip levhalar için hala yeterli değildir. Direnç ve kalınlık hedeflerine ulaşmak için kompozit levhada Hacimce% 50'yi aşan bir yük de gereklidir. Bu yöntemin başka bir dezavantajı, fazladan platform yüksekliğini kaldırmak veya taşlama veya işleme yoluyla CTL eklemek için ek işleme tekniklerinin gerekmesidir. Oh ve arkadaşları, Ni veya Pd-Ni'yi bir grafit kompozit levha üzerine elektroliz etmek için bu CTL yöntemini kullandılar.
Oak Ridge Ulusal Laboratuvarı'ndan (ORNL) Besmann ve diğerleri, başlangıçta "karbon-karbon" kompozitleri yapmak için çamur kalıplamayı kullandılar. Bu yöntem, fenolik reçineyi ve karbon dolguyu suda karıştırarak bir bulamaç oluşturur, bu da bir preform içine gönderilir ve vakumla kalıplanır. Daha sonra ikinci işlem karbon kimyasal buhar infiltrasyonu (CVI), gaz geçirimsizliği elde etmek ve akış alanı plakasının iletkenliğini geliştirmek için akış alanı plakasını kapatmak için kullanılır.
Huang ve diğerleri, CVI işleminin akış alanı plakasının toplam maliyetinin% 70'inden fazlasını oluşturduğuna inandıkları için maliyetleri düşürmek için süreci geliştirdiler. Bulamaçta termoplastik lifler kullanırlar ve bunları bir levha yapmak için bir şekillendirme kutusuna beslerler. Levha daha sonra suyu buharlaştırmak ve polimeri kısmen eritmek için polimer fiberin erime noktasında bir fırına eklenir ve daha sonra akış kanalları ile bir son akış alanı plakası oluşturmak için ısıtma ve basınç altında sıkıştırılarak kalıplanır. İşlem Şekil 11'de gösterilmektedir.
Şekil 11 İyileştirilmiş bulamaç oluşturma işlemi
Cunningham ve diğerleri, bulamaç oluşturma işleminin daha fazla genişletilmesini inceledi ve ıslak serilmiş laminasyon yöntemi Şekil 12'de gösterilmektedir. Islak serilmiş kompozit FFP (akış alanı plakası) ile karşılaştırıldığında, laminasyon yöntemiyle (CTL'ye benzer) üretilen akış alanı plakası daha iyi şekillendirilebilirliğe, daha yüksek düzlem içi ve yüzeyden iletkenliğe ve daha düşük yarı hücre direncine sahiptir. . Bununla birlikte, laminatların mekanik özellikleri saf ıslak alt tabakalar kadar yüksek değildir.
Şekil 12 Islak Laminasyon Yöntemi
Diğer yöntemler arasında UV litografi yer alır Hsieh ve diğerleri, bir bakır substrat üzerinde SU-8 epoksi fotoresist akış alanı nervürleri yapmak için UV litografi kullandı. Luo ve arkadaşları, karbon sinterleme yerine jel enjeksiyonlu kalıplama adı verilen başka bir mezofaz karbon mikroküre kullandı.
5 Güncel ticari malzemeler
Tablo 2, malzemeleri ve üretim yöntemlerini özetlemektedir Ne yazık ki, birçok üretici, Tablo 3'te açıklanan direnç değerlerinin netliğini sınırlayan, iletkenliğin ölçüldüğü koşulları belirtmemektedir.
Tablo 2 Akış alanı plaka malzemelerinin özeti
Tablo 3 Mevcut ticari akış alanı plakaları
6 Malzeme özelliklerinin karakterizasyonu
Mekanik özellikler
Mekanik özellikler eğilme dayanımı ile karakterizedir.
Sıkıştırma özellikleri
Plakalar arasındaki sıkıştırma derecesi, temas basıncı ve cıvata torku ile temsil edilir.
Elektrik performansı
Plaka malzemelerinin elektriksel özellikleri özdirenç ve iletkenlik ile karakterizedir. Kompozit plakaların hacim iletkenliğinin nasıl iyileştirileceği her zaman bir sorun olmuştur. Grafit ve metal plakalarda iletkenlik sorunu yoktur.
Arayüz temas direnci (ICR )
Plakanın arayüz temas direnci (ICR), fiziksel temasın kalitesine ve sıkıştırma kuvvetine bağlıdır Kompozit akış alanı plakaları için, ICR sorunu, akış alanı plakasının yüzeyindeki yalıtıcı polimer yüzeyle ilgilidir. Metal akış alanı plakalarının ICR problemi, grafit veya kompozit akış alanı plakalarından daha büyüktür.Birincisi, metalin kendisinin sert olması, yüzeyin düz olmaması ve plakalar arasındaki temas alanının küçük olmasıdır. Bunun nedeni, metal yüzey üzerinde elektriksel olarak yalıtkan bir pasivasyon filminin oluşabilmesidir.
Mevcut dağıtım karakterizasyonu
Tek tip akım dağılımı, yakıt hücresi verimliliği ve baca homojenliği için çok önemlidir. Bataryadaki akım dağılımı esas olarak "segment" yöntemi ile ölçülür.
Aşındırıcı
Akış alanı plakasının korozyon ürünleri ICR'yi artıracak ve MEA'ya zarar verecektir, bu nedenle akış alanı plakasının korozyon direnci, yakıt hücresinin hizmet ömrünü belirler. Korozyon sorunları esas olarak metal akış alanı plakasında mevcuttur, ancak karbon bazlı akış alanı plakasında yoktur.
Gaz geçirgenliği
Akış alanı plakasının işlevlerinden biri, genellikle malzemenin gaz geçirgenliği direnci ile ilgili olan reaksiyon gazını ayırmaktır. Metallerin gaz geçirgenliği çok düşükken, grafit ve kompozit malzemelerin gaz geçirgenliği ele alınması gereken bir sorundur. Genel olarak kompozit panellerin geçirgenliğini etkileyen faktörler panel sıcaklığı, panel kalınlığı, grafit yüklenmesi ve yaşlanmadır. Gaz geçirgenliği test yöntemleri, diferansiyel basınç yöntemi ve eşit basınç yöntemini içerir.
Su görselleştirme
Bataryadaki sıvı su, akış alanı plakasında sıvı su oluşumunu görselleştirmek için genellikle X-ışını ve optik fotoğrafçılık kullanır.
Ulaşımda kullanılan akış alanı plakalarının performans göstergeleri konusunda DOE'yi kullanın
