Биполярни плочи: „Гръбнакът“ и „магистралите“ на горивните клетки

В сложния и заплетено-заплетен вътрешен свят на горивна клетка, ако мембранният електроден възел е „сърцето“, отговорно за генерирането на енергия, тогава биполярна плоча е „гръбнакът“, който поддържа цялата структура на батерията, и „магистралата“, която осигурява плавния поток на жизнеподдържащите елементи.

Този на пръв поглед прост компонент всъщност е от решаващо значение за определяне на изходната мощност, ефективността и живота на горивната клетка. Той не е просто структурна част, а основен компонент, който интегрира множество функции, като разпределение на полето на потока, електрическа проводимост и топлопроводимост. От гледна точка на материалите, развитието на биполярните пластини е преминало през различни етапи, всеки със своите ясни предимства и недостатъци. Най-ранният широко използван материал е графитът. Графитът предлага отлична електрическа проводимост и изключителна устойчивост на корозия, което го прави идеално подходящ да издържи на дългосрочните предизвикателства на киселинната среда вътре в горивната клетка.

Въпреки това, присъщата им крехкост прави графитните биполярни плочи податливи на повреди по време на обработка и сглобяване. Освен това, за да се постигне достатъчна газоплътност, те често трябва да бъдат направени относително дебели, което ограничава обемната плътност на мощността на горивните клетки. За да се преодолеят тези недостатъци, се появиха метални биполярни плочи, използващи предимно неръждаема стомана или титаниеви сплави. Най-голямото предимство на металните биполярни плочи се крие в тяхната висока механична якост и изключителна електрическа и топлопроводимост, което им позволява да бъдат направени изключително тънки, като по този начин горивните клетки стават по-компактни и се постига по-висока плътност на мощността. Металите обаче са изправени пред сериозни предизвикателства, свързани с корозията в работната среда на горивните клетки. След като корозират, не само контактното съпротивление се увеличава, намалявайки ефективността, но и отделянето на метални йони може да отрови катализатора.

Следователно, върху повърхността трябва да се нанесе устойчиво на корозия покритие, като злато, платина или покритие на въглеродна основа, което несъмнено увеличава производствените разходи и сложността на процеса. През последните години биполярните плочи от композитни материали се превърнаха в ново направление на изследване. Те обикновено се изработват чрез смесване на проводими пълнители като графит или въглеродни сажди с полимерни смоли (като полипропилен) и се формират чрез шприцоване. Те съчетават корозионната устойчивост на графита с формоемкостта на пластмасите, което улеснява масовото производство и предлага предимства при олекотяване. Въпреки това, тяхната електрическа проводимост и механична якост обикновено са междинни между графита и метала, което представлява важен компромис в съвременните технологии. Работният режим на биполярната плоча е парадигма на паралелна многозадачност и нейните функции могат да бъдат обобщени в три аспекта. Основната функция е да канализира реагентните газове. Чрез прецизно обработени канали за поток от едната страна, подобни на миниатюрни „магистрали“, тя равномерно доставя водородно гориво към анодния катализаторен слой и окислител (кислород от въздуха) към катодния катализаторен слой, гарантирайки, че цялата реакционна зона участва ефективно в генерирането на енергия. Едновременно с това, дизайнът на тези канали за поток е силно научен: те трябва да осигурят равномерно разпределение на газа, да избягват мъртви зони и също така ефективно да отстраняват водата, произведена от реакцията, за да предотвратят „наводняване“, което би могло да блокира каналите. Втората основна функция е да събира и провежда електрически ток. Биполярната плоча действа като токоприемник, събирайки електрическия ток, генериран от всеки мембранен електроден възел (единична клетка), и свързвайки последователно клетките чрез собствената си високопроводима природа, като в крайна сметка произвежда необходимото напрежение и мощност. Електрическата проводимост на материала ѝ определя директно загубите на вътрешно съпротивление в този процес. Третата ключова роля е разсейването на топлината и управлението на водата.

Реакцията в горивната клетка генерира топлина; биполярната плоча, служеща като път за топлопроводимост, трябва да отвежда тази топлина своевременно, за да поддържа стека в подходящ работен температурен диапазон. Междувременно, водата, генерирана на катода, се отстранява частично от излишния въздушен поток, а дизайнът на полето на потока и хидрофилната/хидрофобна обработка на биполярната плоча са от решаващо значение за ефективното отстраняване на тази вода. Следователно, производителността на биполярната плоча пряко определя общата ефективност на стека от горивни клетки.

Идеалната биполярна плоча трябва да постигне оптимален баланс между проводимост и устойчивост на корозия, здравина и тънкост, управление на газовия поток и водата, производствени разходи и експлоатационен живот. Независимо дали е изработена от графит, метал или композитни материали, целта на разработката остава една и съща: да се подпомогнат по-широките перспективи за комерсиализация на горивните клетки с по-ниски разходи и по-надеждна работа. Може да се каже, че всеки напредък в технологията на биполярните плочи е значителна стъпка към широкото им приложение.