01 Entwodiksyon
Pwoton echanj selil gaz manbràn (PEMFCs), kòm aparèy ki ka dirèkteman konvèti enèji chimik gratis nan enèji elektrik, pwodwi sèlman dlo kòm yon byproduct apre reyaksyon. Yo ofri avantaj tankou efikasite enèji, to konvèsyon enèji segondè, gwo fyab, demaraj rapid-nan tanperati chanm, ak lavi sèvis long [1]. Karakteristik sa yo bay PEMFCs gwo kandida aplikasyon ak potansyèl mache nan aplikasyon estasyonè (egzanp, estasyon baz kominikasyon, konbine chalè ak pouvwa), aplikasyon mobil (egzanp, otomobil, veso maren), ak aplikasyon pòtab (egzanp, òdinatè, kamera). Yo konsidere yo kòm katriyèm metòd jenerasyon pouvwa apre tèmik, idwo, ak enèji nikleyè [2].
Plak bipolè (BPs), kòm eleman kle nan PEMFCs, fonksyone sitou pou separe ak distribye oksidan ak gaz, kondwi aktyèl, sipòte asanble elektwòd manbràn, ak kontwole tanperati entèn chemine [3]. Pou satisfè kondisyon fonksyònman selil gaz, BP yo dwe posede ekselan enpèmeyab gaz, bon konduktiviti elektrik ak rezistans korozyon, bon konduktiviti tèmik, ak pwopriyete mekanik [3]. Pandan se tan, BP kounye a reprezante apeprè 80% nan pwa ak volim yon PEMFC ak apeprè 50% nan pri li yo. Pandan ke asire kondisyon fonksyonèl, fè BP yo mens ak lejè ke posib se yon gwo siyifikasyon pou amelyore dansite pouvwa PEMFC ak diminye depans pwodiksyon an. Pratike te montre ke optimize pèfòmans plak bipolè ta ka ogmante dansite pouvwa pile pa apeprè 20%, rive nan 6-9 kW / L [3]. Se poutèt sa, amelyore materyèl BP ak pwosesis fabwikasyon se yon gwo enpòtans pou amelyore pèfòmans PEMFC.
Objektif pèfòmans DOE pou plak bipolè(tablo omisyon)
Dyagram estrikti PEMFC(figi omisyon)
02 Klasifikasyon ak analiz potansyèl aplikasyon pou plak bipolè
Ki baze sou konpozisyon materyèl, plak bipolè yo sitou divize an kat kategori: plak bipolè grafit, plak bipolè fleksib grafit, plak bipolè metalik, ak plak bipolè konpoze [4].
2.1 Plak bipolè grafit
Graphite te pami pi bonè materyèl substrate devlope pou BPs, prezante dansite ki ba, bon rezistans korozyon, ak rezistans kontak ba ak kouch difizyon gaz la. Sepandan, grafit BP yo gen porosite relativman wo, sa ki fè li difisil pou satisfè kondisyon sere gaz-. Anplis de sa, grafit gen anpil fòs ak frajil, kidonk plak yo fini yo siyifikativman pi epè pase BP metalik [2].
Rechèch sou grafit BP yo konsantre sou materyèl grafit ak metòd fekondasyon. Malgre ke yo te fè kèk pwogrè nan amelyore sere gaz ak fòs estriktirèl, yo toujou manke nan kondisyon PEMFC operasyonèl [2].
Dapre kalite materyèl, grafit BP yo ka divize an de kategori:
BPs grafit rijid, yo rele tou plak grafit machin, yo sitou te fè soti nan byproducts nan konbistib fosil, trete nan kalsinasyon, fekondasyon vakyòm, segondè -grafitizasyon tanperati, ak Lè sa a, machin nan CNC yo fòme chanèl koule espesifik. Chak seri mande pou CNC D ', sa ki lakòz pri relativman wo. Sa yo se sitou itilize pou devlopman konsepsyon, ak pati nan mache yo nan pwodiksyon an mas piti piti ranplase pa lòt kalite [5].
BPs grafit fleksib, konnen tou kòm plak moule oswa BPs grafit elaji, yo jeneralman pwodwi pa melanje grafit elaji ak poud résine polymère ki te swiv pa bòdi, oswa pa enpreye pre-bourade fèy grafit elaji. BP grafit fleksib yo lejè, korozyon-, ak kondiktif, sa ki fè yo yon materyèl ideyal, men yo gen defisyans nan pwopriyete mekanik ak sere gaz [2].
2.2 Plak bipolè metalik
Materyèl metalik BP sitou gen ladan aliminyòm, asye pur, Titàn, ak alyaj nikèl [3].
BP metalik ofri bon konduktiviti elektrik, sere gaz, ak fòs koube. Anplis, akòz ekselan duktilite metal yo, plak mens ak estrikti jaden koule yo ka fabrike atravè Stamping, siyifikativman amelyore dansite pouvwa volumetrik PEMFC [2]. Sepandan, BP metalik yo sansib a korozyon nan anviwònman PEMFC (pH ~ 2-3, T=80 -100 degre ), lage iyon metal ki afekte yon fason negatif operasyon selil gaz. Pandan se tan, fòmasyon yon kouch pasif sou sifas la mennen nan yon ogmantasyon make nan rezistans kontak, sevè limite -fiabilite alontèm [2].
Estrateji prensipal aktyèl yo pou amelyore rezistans korozyon nan BP metalik yo enkli aplike korozyon -kouvwi ki reziste ak amelyore rezistans korozyon substra [2]. Kouch ka siyifikativman amelyore pèfòmans korozyon, men balanse konduktiviti, konpleksite pwosesis, ak pri se yon defi. Anplis de sa, tès korozyon yo anjeneral kout-tèm, kidonk rezilta yo ka pa reflete reyèl-monn nan alontèm-pèfòmans [2]. Rechèch aktyèl yo montre ke kouch sèl gen limit tou; pou egzanp, alyaj Titàn gen bon rezistans korozyon akòz fim oksid yo, men sa a ogmante rezistans kontak, ki mande tretman sifas amelyorasyon konduktiviti. Rezistans korozyon ak pwoblèm pri yo rete gwo baryè pou adopsyon gwo -echèl BP metalik [2].
Lyu Jianxiang [6] et al. revize sistematikman pwogrè rechèch sou kouch metal carbure tranzisyon, kouch nitrure metal tranzisyon, kouch kabòn amorphe, penti ki baze sou grafèn-, kouch polymère kondiktif, ak kouch alyaj segondè-entropi pou BP metalik nan selil gaz. Yo fè remake ke kouch multikouch ak estrikti anklanche kapab potansyèlman amelyore tou de rezistans korozyon ak konduktivite. Etid resan yo sijere ke enkòpore eleman ki reziste -korozyon nan kouch se tou yon apwòch solid. Se poutèt sa, konbinezon an nan kouch plizyè kouch ak dopaj elemantè yo espere bay pi bon kouch korozyon -rezistan pou BP metalik.
2.3 Plak bipolè konpoze
Plak konpoze konpoze de de oswa plis materyèl, ak pwosesis konbine optimize pwopriyete mekanik, korozyon ak elektrik. Plak konpoze yo ka klase nan konpoze estriktirèl ak konpoze pwosesis [7]. Dapre kalite materyèl, BP konpoze yo ka divize an de gwo kategori: polymère résine / kabòn konpoze ak grafit / metal konpoze [7].
2.3.1 Polymère résine/kabòn konpoze bipolè plak
Plak bipolè grafit konpoze se yon nouvo kalite, ki fèt sitou ak rezin polymère òganik ak filler kondiktif ki baze sou kabòn-. Matris la résine amelyore pwopriyete mekanik ak lyezon file kondiktif yo, k ap sèvi kòm konsantre prensipal rechèch pou amelyore sere gaz ak fòs flexural. File kondiktif, ki reprezante pa grafit, entèkonekte pou fòme rezo kondiktif [2].
Filler kondiktif jeneralman gen ladan nwa kabòn, fib kabòn (CF), grafit elaji, nanotub kabòn, grafit sentetik (SG), ak grafèn; rezin polymère gen ladan polypropylène, polyetheretherketone (PEEK), polyethylene terephthalate (PET), rezin epoksidik, ak rezin fenolik [8].
Lè yo ajiste konpozisyon an ak rapò mas nan filler résine ak kondiktif, konbine avèk modifikasyon grafit oswa aditif résine, pwopriyete yo divès kalite nan konpoze grafit BP yo ka branche ak optimize. Anplis de sa, teknik preparasyon avanse ak post-pwosesis-tankou kontwole oryantasyon ak dispèsyon filler grafit, ak optimize pwopriyete entèfas grafit/rezin-direkteman afekte makro- ak mikwostrikti plak konpoze yo, kidonk afekte dirèkteman pèfòmans yo [2].
Kounye a, teknoloji pwodiksyon domestik pou BP konpoze poko gen matirite, sitou akòz lokalizasyon enkonplè nan fòmilasyon matyè premyè, mank de gwo -echèl pwodiksyon kontinyèl, ak gwo depans. Se poutèt sa, jwenn pri ki ba -matyè premyè, optimize rapò fòmilasyon ak kondisyon pwosesis, ak diminye sik pwodiksyon yo rete direksyon rechèch kle [9].
2.3.2 Graphite/Metal Composite Bipolè Plak
Plak konpoze grafit/metal sèvi ak yon kouch metalik kòm séparateur ak plak kabòn mens ki mouye oswa plak grafit (ki fèt pa bòdi piki ak boulanjri) kòm plak jaden koule, kole ak adezif konduktif [7]. Metal yo ofri bon konduktiviti, gwo fòs, ak enpèmeyab gaz, pandan y ap grafit bay rezistans korozyon. Kidonk, grafit sitou sèvi pou chanèl kondiksyon ak koule san yo pa bezwen pote sele oswa ranfòsman fonksyon, sa ki pèmèt avantaj konplemantè [7].
Metal-plak konpoze ki baze sou konbine avantaj ki genyen nan tou de grafit ak plak metalik, amelyore pèfòmans jeneral. Sepandan, estrikti konplèks yo ak pwosesis fabwikasyon yo fè pwodiksyon an mas difisil, epi pri pwodiksyon yo pi wo pase sa yo ki baze sou kabòn-. Malgre defi pou pwomosyon jeneral PEMFC, yo gen avantaj pou aplikasyon espesyal [7].
03 Pwogrè Rechèch sou Plak Bipolè Flexible Graphite ak Graphite Composite
Soti nan pi wo a, fleksib grafit ak grafit konpoze BP montre plis ekilibre pèfòmans jeneral ak pi fò potansyèl devlopman. Dapre kondisyon pèfòmans BP, endikatè kle yo enkli pèmeyabilite gaz, konduktiviti elektrik, rezistans kontak, fòs flexural, ak pousantaj korozyon, ki se direksyon rechèch prensipal pou BP yo.
Konparezon avantaj ak dezavantaj diferan kalite BP(tablo omisyon)
3.1 Efè modifikasyon polymère sou konduktiviti ak fòs flexural plak bipolè konpoze grafit
Zeng Haodong [8] et al. modifye polyimid (PI) résine ak polyetheretherketone (PEEK) résine, lè l sèvi avèk grafit elaji kòm filler kondiktif prensipal la, ak prepare plak bipolè konpoze pou PEMFCs pa bòdi konpresyon. Yo te envestige efè kontni résine ak adisyon grafèn sou pèfòmans BP konpoze. Rezilta yo te montre ke ak yon fraksyon mas résine fiks de 40% ak yon PI:PEEK mas rapò de 1:1.25, elaji graphite/PI -PEEK afich BP echantiyon yo te reyalize optimale elèktrik conductivité (181.8 S/cm) ak flexural fòs (43.49 MPa), ki repwezante yon ogmantasyon PI 64% résine konduktiviti.
Li Hang [10] et al. itilize grafit flake natirèl (NG) kòm total kondiktif ak résine fenolik (PF) ak résine polyester enstore (UPR) kòm lyan, prepare BPs konpoze NG / PF / UPR pa bòdi konpresyon. Yo etidye efè rapò mas PF/UPR, kontni résine, ak kondisyon bòdi sou konduktiviti ak fòs flexural. Rezilta yo endike ke nan kondisyon 20 wt% kontni résine, rapò mas PF/UPR nan 6:1, peze tanperati 100 degre, presyon bòdi 30 MPa, tanperati bòdi 180 degre, ak tan bòdi 2 h, konpoze NG/PF/UPR la reyalize konduktiviti elektrik nan 336.1 S/cma flexural fòs ak 466.1 S/cma flexural fòs. Konpare ak NG / PF konpoze nan menm kondisyon yo, konduktivite ogmante pa 134.9% ak fòs flexural pa 21.2%.
3.2 Efè epesè substrate grafit sou pèfòmans jeneral BP
Wang Dengke [11] et al. te itilize substrats elaji graphite de 4 milimèt ak 6 milimèt pesè pou pwodwi yon sèl -sided flux-chanèl BPs graphite de 1 milimèt epesè, etidye enfliyans epesè substrate sou bòdi ak pèfòmans plak grafit fleksib konpoze. Rezilta yo te montre ke substrate 4 mm pwodui plak ki gen pi bon jeyometri kanal/ribye, presizyon dimansyon siperyè, pèmeyabilite gaz anba sib DOE a 2×10⁻⁶ cm³·s⁻¹·cm⁻², fòs flexural nan 25.4 MPa, konduktiviti elektrik 333 S·cm⁻², ak rezistans kontak pi ba pase mΩ·2·cm⁻. Yo menm tou yo te montre ekselan rezistans korozyon; apre 3000 s nan gwo potansyèl (1.6 V), dansite aktyèl korozyon an rete estab. Kidonk, 4 mm substra se yon bon chwa pou bòdi plak grafit fleksib 1 mm, ki bay pèfòmans optimal satisfè kondisyon DOE. Otè yo espere travay sa a pral ankouraje endistriyalizasyon plak grafit fleksib ak plis devlopman nan endistri selil gaz.
3.3 Efè gwosè patikil grafit sou fòs flexural ak konduktiviti plak bipolè
Kang [12] et al. te montre ke fòs flexural nan BPs konpoze ogmante ak diminye gwosè patikil grafit esansyèl, men konduktivite diminye. Patikil grafit esansyèl konekte atravè kontak pwen, tandiske grafit flak fòme kontak fas-a{-fas, fasilite fòmasyon rezo kondiktif ak transpò elèktron.
3.4 Efè Nwa Kabòn ak Optimizasyon Patikil Graphite sou konduktivite
Lim [13] et al. flite yon melanj de poud natirèl grafit, nwa kabòn, ak methyl etil ketonn sòlvan sou résine epoksidik / fib kabòn prepregs, seche yo, ak Lè sa a laminated ak papye grafit sou tou de bò anvan cho peze yo fòme BPs konpoze. Akòz pi piti gwosè patikil yo, nwa kabòn gaye plis inifòm e li te pi efikas pase poud grafit natirèl nan ogmante konduktiviti. Gautam [14] et al. chimikman entèrkalye grafit flak natirèl nan yon solisyon melanje nan KMnO₄, HClO₄, ak HNO₃ pou 1 minit, Lè sa a, iradyasyon ak yon fou mikwo ond yo pwodwi grafit elaji ak yon volim espesifik maksimòm de (570±10) mL·g⁻¹. Apre sa, yo te prepare elaji grafit / nwa kabòn / mikropartikil grafit / fenolik résine konpoze BPs; Tès sèl-selil yo te montre pi bon pèfòmans pase konpoze ki itilize sèlman grafit elaji kòm filler kondiktif, atribiye a nwa kabòn ak amann poud grafit ranpli vid ant filler kondiktif.
3.5 Efè enpreyasyon vakyòm sou konduktiviti ak fòs flexural plak bipolè
Zhan Zize [3] et al. etidye efè epoksidik résine adisyon diluant, tanperati, ak estrikti pò grafit sou kantite fekondasyon résine pandan fekondasyon vakyòm, epi evalye konduktiviti elektrik la, fòs flexural, ak sere gaz nan BPs selil gaz ki kapab lakòz. Rezilta yo endike ke ogmante kontni diluan ak tanperati redwi viskozite résine, amelyore kapasite fekondasyon ak pèmèt résine ranpli pi rafine porositë. Sepandan, gen kèk porositë ki te rete plen; porositë pi ba pase 0.1 μm nan grafit elaji yo te difisil pou antre konplètman, anpeche ranpli konplè. Tanperati a pi bon vakyòm fekondasyon pou résine epoksidik / sistèm diluant te 50 degre, ak diluan an pi bon (etilèn glycol diglycidyl etè) adisyon te 15 wt%. BP yo te jwenn (EGP-H) te gen nan-kondiktivite plan 340.12 S/cm, fòs flexural 41.52 MPa, ak pèmeyabilite elyòm nan 5.4×10⁻⁷ cm³·cm⁻²·s⁻¹.
04 Rezime Prensipal Apwòch pou Amelyore Pèfòmans Plak Bipolè Graphite
Konsènan efè kalite matyè premyè, rapò, ak kondisyon pwosesis bòdi sou pèfòmans BP, yo idantifye kat aspè prensipal yo:
(1) Rezin mare patikil kondiktif yo epi fòme yon rezo ki genyen twa dimansyon apre retikilasyon, amelyore pwopriyete mekanik yo. Sepandan, twòp résine diminye konduktiviti. Se poutèt sa, kontni résine yo dwe optimize pou balanse pèfòmans mekanik ak elektrik.
(2) Lè grafit se filler kondiktif prensipal la, grafit flak fòme chemen kondiktif pi fasil pase grafit esansyèl. Gwosè patikil afekte tou de konduktiviti ak pwopriyete mekanik, epi yo ta dwe detèmine yon distribisyon gwosè patikil apwopriye atravè optimize.
(3) Ti adisyon nwa kabòn, fib kabòn, oswa nanotub kabòn ka efektivman ranpli espas vid yo epi ogmante chemen kondiktif yo. Pandan se tan, yo ka fòme lyezon kovalan ak gwoup fonksyonèl résine oswa dirèkteman amelyore severite, kidonk amelyore fòs flexural, pou tou de konduktiviti ak pwopriyete mekanik nan BP konpoze yo amelyore.
(4) Nan bòdi konpresyon, li nesesè kontinyèlman optimize rapò matyè premyè ak kondisyon cho -peze, ogmante operasyon paralèl, diminye sik pwodiksyon, ak reyalize pwodiksyon koule kontinyèl.