01 Introduzzjoni
Iċ-ċelloli tal-fjuwil tal-membrana tal-iskambju tal-protoni (PEMFCs), bħala apparat li jistgħu jikkonvertu direttament l-enerġija kimika ħielsa f'enerġija elettrika, jipproduċu biss ilma bħala prodott sekondarju wara reazzjoni. Huma joffru vantaġġi bħall-effiċjenza enerġetika, rata għolja ta' konverżjoni tal-enerġija, affidabilità għolja, startjar rapidu-f'temperatura tal-kamra, u ħajja twila ta' servizz [1]. Dawn il-karatteristiċi jagħtu lill-PEMFCs prospetti wesgħin ta' applikazzjoni u potenzjal tas-suq f'applikazzjonijiet stazzjonarji (eż., stazzjonijiet bażi ta' komunikazzjoni, sħana u enerġija kkombinati), applikazzjonijiet mobbli (eż., karozzi, bastimenti tal-baħar), u applikazzjonijiet portabbli (eż. kompjuters, kameras). Huma mfaħħra bħala r-raba' metodu ta' ġenerazzjoni tal-enerġija wara l-enerġija termali, idro, u nukleari [2].
Pjanċi bipolari (BPs), bħala komponenti ewlenin ta 'PEMFCs, jiffunzjonaw primarjament biex jisseparaw u jqassmu l-ossidant u l-fjuwil, imexxu l-kurrent, jappoġġjaw l-assemblaġġ tal-elettrodu tal-membrana, u jirregolaw it-temperatura tal-munzell intern [3]. Biex jissodisfaw ir-rekwiżiti operattivi taċ-ċelluli tal-fjuwil, il-BPs għandu jkollhom impermeabilità eċċellenti tal-gass, konduttività elettrika tajba u reżistenza għall-korrużjoni, konduttività termali adegwata, u proprjetajiet mekkaniċi [3]. Sadanittant, il-BPs bħalissa jammontaw għal madwar 80% tal-piż u l-volum ta 'PEMFC u madwar 50% tal-ispiża tiegħu. Filwaqt li jiġu żgurati rekwiżiti funzjonali, li l-BPs ikunu irqaq u ħfief kemm jista 'jkun huwa ta' sinifikat kbir għat-titjib tad-densità tal-enerġija PEMFC u t-tnaqqis tal-ispejjeż tal-produzzjoni. Il-prattika wriet li l-ottimizzazzjoni tal-prestazzjoni tal-pjanċa bipolari tista 'żżid id-densità tal-qawwa tal-munzell b'madwar 20%, u tilħaq 6–9 kW/L [3]. Għalhekk, it-titjib tal-materjali BP u l-proċessi ta 'fabbrikazzjoni huwa ta' importanza kbira għat-titjib tal-prestazzjoni PEMFC.
Miri tal-prestazzjoni DOE għal pjanċi bipolari(it-tabella barra)
Dijagramma tal-istruttura PEMFC(figura barra)
02 Klassifikazzjoni u Analiżi Potenzjali ta' Applikazzjoni ta' Pjanċi Bipolari
Ibbażat fuq il-kompożizzjoni tal-materjal, pjanċi bipolari huma prinċipalment maqsuma f'erba 'kategoriji: pjanċi bipolari tal-grafita, pjanċi bipolari tal-grafita flessibbli, pjanċi bipolari metalliċi, u pjanċi bipolari komposti [4].
2.1 Pjanċi Bipolari tal-Graphite
Il-grafita kienet fost l-aktar materjali ta 'sottostrat bikrija żviluppati għal BPs, li fihom densità baxxa, reżistenza tajba għall-korrużjoni, u reżistenza baxxa ta' kuntatt mas-saff tad-diffużjoni tal-gass. Madankollu, il-BPs tal-grafita għandhom porożità relattivament għolja, li tagħmilha diffiċli biex jintlaħqu r-rekwiżiti tal--issikkar tal-gass. Barra minn hekk, il-grafita hija baxxa fis-saħħa u fraġli, għalhekk il-pjanċi lesti huma eħxen b'mod sinifikanti minn BPs metalliċi [2].
Ir-riċerka dwar il-BPs tal-grafita ffokat fuq materjali tal-grafita u metodi ta 'impregnazzjoni. Għalkemm sar xi progress fit-titjib tal-issikkar tal-gass u s-saħħa strutturali, xorta ma jilħqux ir-rekwiżiti operattivi tal-PEMFC [2].
Skont it-tip ta' materjal, il-BPs tal-grafita jistgħu jinqasmu f'żewġ kategoriji:
BPs tal-grafita riġida, imsejħa wkoll pjanċi tal-grafita bil-makna, huma prinċipalment magħmula minn prodotti sekondarji ta 'fjuwils fossili, ipproċessati permezz ta' kalċinazzjoni, impregnazzjoni bil-vakwu, grafitizzazzjoni ta 'temperatura għolja-, u mbagħad maħduma minn CNC biex jiffurmaw kanali ta' fluss speċifiċi. Kull sett jeħtieġ makkinar CNC, li jirriżulta fi spejjeż relattivament għoljin. Dawn jintużaw prinċipalment għall-iżvilupp tad-disinn, u s-sehem tas-suq tagħhom fil-produzzjoni tal-massa qed jiġi sostitwit gradwalment minn tipi oħra [5].
BPs tal-grafita flessibbli, magħrufa wkoll bħala pjanċi ffurmati jew BPs tal-grafita estiża, huma ġeneralment prodotti billi tħallat grafita estiża ma 'trab tar-reżina tal-polimer segwita mill-iffurmar, jew billi tgħaddi minn qabel -folji tal-grafita estiża magħquda. Il-BPs tal-grafita flessibbli huma ħfief, reżistenti għall-korrużjoni-, u konduttivi, u jagħmluhom materjal ideali, iżda għandhom nuqqasijiet fil-proprjetajiet mekkaniċi u l-issikkar tal-gass [2].
2.2 Pjanċi Bipolari Metalliċi
Materjali metalliċi BP jinkludu prinċipalment aluminju, azzar li ma jissaddadx, titanju, u ligi tan-nikil [3].
Il-BPs metalliċi joffru konduttività elettrika tajba, issikkar tal-gass u saħħa tal-liwi. Barra minn hekk, minħabba d-duttilità eċċellenti tal-metalli, pjanċi rqaq bi strutturi tal-kamp tal-fluss jistgħu jiġu fabbrikati permezz tal-ittimbrar, li jtejjeb b'mod sinifikanti d-densità tal-qawwa volumetrika PEMFC [2]. Madankollu, BPs metalliċi huma suxxettibbli għall-korrużjoni fl-ambjent PEMFC (pH ~ 2-3, T=80-100 grad), li jirrilaxxaw joni tal-metall li jaffettwaw ħażin l-operat taċ-ċelluli tal-fjuwil. Sadanittant, il-formazzjoni ta' saff passiv fuq il-wiċċ twassal għal żieda notevoli fir-reżistenza tal-kuntatt, li tillimita severament l-affidabbiltà fit-tul -[2].
L-istrateġiji ewlenin attwali biex tittejjeb ir-reżistenza għall-korrużjoni ta' BPs metalliċi jinkludu l-applikazzjoni ta' kisjiet reżistenti għall-korrużjoni-u t-titjib tar-reżistenza għall-korrużjoni tas-sottostrat [2]. Il-kisi jista 'jtejjeb b'mod sinifikanti l-prestazzjoni tal-korrużjoni, iżda l-ibbilanċjar tal-konduttività, il-kumplessità tal-proċess u l-ispiża hija ta' sfida. Barra minn hekk, it-testijiet tal-korrużjoni huma tipikament għal żmien qasir-, għalhekk ir-riżultati jistgħu ma jirriflettux il-prestazzjoni reali-dinja fit-tul-[2]. Ir-riċerka attwali turi li kisjiet singoli għandhom ukoll limitazzjonijiet; pereżempju, il-ligi tat-titanju għandhom reżistenza tajba għall-korrużjoni minħabba l-film tal-ossidu tagħhom, iżda dan iżid ir-reżistenza tal-kuntatt, li jeħtieġ trattamenti ta 'titjib tal-konduttività tal-wiċċ. Ir-reżistenza għall-korrużjoni u l-kwistjonijiet tal-kost jibqgħu ostakli kbar għall-adozzjoni-skala kbira ta' BPs metalliċi [2].
Lyu Jianxiang [6] et al. eżamina sistematikament il-progress tar-riċerka dwar il-kisjiet tal-karbur tal-metalli ta' tranżizzjoni, il-kisi tan-nitrur tal-metalli ta' tranżizzjoni, il-kisi tal-karbonju amorfu, il-kisjiet ibbażati fuq il-graffen-, il-kisi tal-polimeru konduttiv, u l-kisi ta' liga ta'-entropija għolja għal BPs metalliċi fiċ-ċelloli tal-fjuwil. Huma rrimarkaw li kisjiet b'ħafna saffi bi strutturi interlocking jistgħu potenzjalment itejbu kemm ir-reżistenza għall-korrużjoni kif ukoll il-konduttività. Studji reċenti jissuġġerixxu li l-inkorporazzjoni ta' elementi reżistenti għall-korrużjoni-fil-kisi huwa wkoll approċċ vijabbli. Għalhekk, il-kombinazzjoni ta 'kisi b'ħafna saffi u doping elementali hija mistennija li tagħti kisjiet reżistenti għall-korrużjoni-aħjar għall-BPs metalliċi.
2.3 Pjanċi Bipolari komposti
Pjanċi komposti jikkonsistu f'żewġ materjali jew aktar, bi proċessi kkombinati li jottimizzaw il-proprjetajiet mekkaniċi, korrużjoni u elettriċi. Pjanċi komposti jistgħu jiġu kklassifikati f'komposti strutturali u komposti tal-proċess [7]. Skont it-tip ta' materjal, il-BPs komposti jistgħu jinqasmu f'żewġ kategoriji ewlenin: komposti tar-reżina polimeru/karbonju u komposti tal-grafita/metall [7].
2.3.1 Pjanċi Bipolari komposti tar-reżina tal-polimeru/tal-karbonju
Il-pjanċi bipolari tal-grafita komposti huma tip ġdid, magħmulin primarjament minn reżini polimeri organiċi u fillers konduttivi bbażati fuq il-karbonju-. Il-matriċi tar-reżina ttejjeb il-proprjetajiet mekkaniċi u tgħaqqad il-mili konduttivi, u sservi bħala l-fokus ewlieni tar-riċerka għat-titjib tal-issikkar tal-gass u s-saħħa tal-flessjoni. Fillers konduttivi, rappreżentati mill-grafita, interkonnessi biex jiffurmaw netwerks konduttivi [2].
Fillers konduttivi ġeneralment jinkludu iswed tal-karbonju, fibri tal-karbonju (CF), grafita estiża, nanotubi tal-karbonju, grafita sintetika (SG), u graphene; Ir-reżini tal-polimer jinkludu polypropylene, polyetheretherketone (PEEK), polyethylene terephthalate (PET), reżini epossidiċi, u reżini fenoliċi [8].
Billi taġġusta l-kompożizzjoni u l-proporzjon tal-massa tar-reżina u l-mili konduttivi, flimkien ma 'modifika tal-grafita jew addittivi tar-reżina, il-proprjetajiet varji tal-BPs tal-grafita kompost jistgħu jiġu rranġati u ottimizzati. Barra minn hekk, tekniki avvanzati ta’ preparazzjoni u post-ipproċessar-bħall-kontroll tal-orjentazzjoni u t-tixrid tal-mili tal-grafita, u l-ottimizzazzjoni tal-proprjetajiet interfaċjali tal-grafita/reżina-jaffettwaw direttament il-makro- u l-mikrostrutturi tal-pjanċi komposti ffurmati, u b'hekk jaffettwaw direttament il-prestazzjoni tagħhom [2].
Bħalissa, it-teknoloġija tal-produzzjoni domestika għal BPs komposti għadha mhix matura, prinċipalment minħabba lokalizzazzjoni mhux kompluta ta 'formulazzjonijiet ta' materja prima, nuqqas ta 'produzzjoni kontinwa fuq skala kbira-, u spejjeż għoljin. Għalhekk, is-sejba ta'-materja prima bi prezz baxx, l-ottimizzazzjoni tal-proporzjonijiet tal-formulazzjoni u l-kundizzjonijiet tal-ipproċessar, u t-tqassir taċ-ċikli tal-produzzjoni jibqgħu direzzjonijiet ewlenin tar-riċerka [9].
2.3.2 Pjanċi Bipolari komposti tal-grafita/metall
Pjanċi komposti tal-grafita/metall jużaw saff metalliku bħala s-separatur u pjanċi tal-karbonju rqaq poruż jew pjanċi tal-grafita (magħmula permezz ta 'mudellar ta' injezzjoni u ħami) bħala pjanċi tal-kamp tal-fluss, magħqudin b'adeżiv konduttiv [7]. Il-metalli joffru konduttività tajba, saħħa għolja, u impermeabilità tal-gass, filwaqt li l-grafita tipprovdi reżistenza għall-korrużjoni. Għalhekk, il-grafita sservi prinċipalment għall-kanali tal-konduzzjoni u tal-fluss mingħajr il-ħtieġa li ġġorr funzjonijiet ta 'siġillar jew rinfurzar, li tippermetti vantaġġi komplementari [7].
Pjanċi komposti bbażati fuq il-metall-għaqqad il-vantaġġi kemm tal-pjanċi tal-grafita kif ukoll tal-metall, u jtejbu l-prestazzjoni ġenerali. Madankollu, l-istruttura kumplessa u l-proċessi ta' fabbrikazzjoni tagħhom jagħmlu l-produzzjoni tal-massa diffiċli, u l-ispejjeż tal-produzzjoni huma ferm ogħla minn dawk ta' komposti bbażati fuq il-karbonju-. Minkejja l-isfidi għall-promozzjoni ġenerali PEMFC, għandhom vantaġġi għal applikazzjonijiet speċjali [7].
03 Progress tar-Riċerka fuq Pjanċi Bipolari tal-Graphite Flessibbli u tal-Graphite
Minn dan ta 'hawn fuq, BPs flessibbli tal-grafita u komposti tal-grafita juru prestazzjoni ġenerali aktar bilanċjata u potenzjal ta' żvilupp aktar b'saħħtu. Skont ir-rekwiżiti tal-prestazzjoni tal-BP, l-indikaturi ewlenin jinkludu permeabilità tal-gass, konduttività elettrika, reżistenza tal-kuntatt, saħħa tal-flessjoni u rata ta 'korrużjoni, li huma d-direzzjonijiet ewlenin tar-riċerka għall-BPs.
Tqabbil ta 'vantaġġi u żvantaġġi ta' tipi differenti ta 'BPs(it-tabella barra)
3.1 Effett tal-Modifikazzjoni tal-polimeru fuq il-konduttività u s-saħħa tal-flessjoni tal-pjanċi bipolari komposti tal-grafita
Zeng Haodong [8] et al. reżina polyimide (PI) modifikata b'reżina polyetheretherketone (PEEK), bl-użu ta 'grafita estiża bħala l-mili konduttiv primarju, u pjanċi bipolari komposti ppreparati għal PEMFCs permezz tal-iffurmar tal-kompressjoni. Huma investigaw l-effetti tal-kontenut tar-reżina u ż-żieda tal-grafen fuq il-prestazzjoni tal-BP kompost. Ir-riżultati wrew li bi frazzjoni tal-massa tar-reżina fissa ta '40% u proporzjon tal-massa PI:PEEK ta' 1:1.25, il-kampjuni BP komposti tal-grafit/PI-PEEK estiża kisbu konduttività elettrika ottimali (181.8 S/cm) u saħħa tal-flessjoni (43.49 MPa), li tirrappreżenta żieda fil-konduttività PI 64.7% pura.
Li Hang [10] et al. uża grafita flake naturali (NG) bħala l-aggregat konduttiv u r-reżina fenolika (PF) u r-reżina tal-poliester mhux saturata (UPR) bħala sustanzi li jgħaqqdu, tipprepara BPs komposti NG/PF/UPR permezz tal-iffurmar tal-kompressjoni. Huma studjaw l-effetti tal-proporzjon tal-massa PF/UPR, il-kontenut tar-reżina, u l-kundizzjonijiet tal-iffurmar fuq il-konduttività u s-saħħa tal-flessjoni. Ir-riżultati indikaw li taħt kundizzjonijiet ta 'kontenut ta' raża ta '20 wt%, proporzjon tal-massa PF/UPR ta' 6:1, temperatura ta 'pressa 100 grad, pressjoni tal-iffurmar 30 MPa, temperatura tal-iffurmar 180 grad, u ħin tal-iffurmar 2 h, il-kompost NG/PF/UPR kiseb konduttività elettrika ta' 336.1 S/cma qawwa flexural ta '336.1 S/cma flexural MPa. Meta mqabbel mal-kompost NG/PF taħt l-istess kundizzjonijiet, il-konduttività żdiedet b'134.9% u s-saħħa tal-flessjoni b'21.2%.
3.2 Effett tal-Ħxuna tas-Sustrat tal-Graphite fuq il-Prestazzjoni Ġenerali tal-BP
Wang Dengke [11] et al. uża sottostrati tal-grafita estiża ta '4 mm u 6 mm ħxuna biex jipproduċu BPs tal-grafita tal-grafita b'kanal-waħda waħda- ta' ħxuna ta '1 mm, studja l-influwenza tal-ħxuna tas-sottostrat fuq l-iffurmar u l-prestazzjoni ta' pjanċi tal-grafita flessibbli komposti. Ir-riżultati wrew li s-sottostrat ta '4 mm ipproduċa pjanċi b'ġeometrija aħjar tal-kanal/kustilja, preċiżjoni dimensjonali superjuri, permeabilità tal-gass taħt il-mira DOE ta' 2×10⁻⁶ cm³·s⁻¹·cm⁻², saħħa tal-flessjoni ta '25.4 MPa, konduttività elettrika ta' 333 S·cm⁻⁻⁻⁻⁻⁻⁻⁻⁻⁻⁻⁻⁻⁻⁻⁻⁻⁻⁻⁻⁶cm⁹. Huma wrew ukoll reżistenza eċċellenti għall-korrużjoni; wara 3000 s f'potenzjal għoli (1.6 V), id-densità tal-kurrent tal-korrużjoni baqgħet stabbli. Għalhekk, sottostrat ta '4 mm huwa għażla tajba għall-iffurmar ta' pjanċi tal-grafita flessibbli ta '1 mm, li jagħti prestazzjoni ottimali li tissodisfa r-rekwiżiti DOE. L-awturi jittamaw li dan ix-xogħol jippromwovi l-industrijalizzazzjoni ta 'pjanċi tal-grafita flessibbli u aktar żvilupp tal-industrija taċ-ċelloli tal-fjuwil.
3.3 Effett tad-daqs tal-partiċelli tal-grafita fuq is-saħħa tal-flessjoni u l-konduttività tal-pjanċi bipolari
Kang [12] et al. wera li s-saħħa tal-flessjoni tal-BPs komposti tiżdied bit-tnaqqis fid-daqs tal-partiċelli tal-grafita bl-ingrossa, iżda l-konduttività tonqos. Partiċelli tal-grafita bl-ingrossa jikkonnettjaw permezz ta' kuntatti ta' punt, filwaqt li l-grafita flake tifforma kuntatti wiċċ-imb-, li jiffaċilitaw il-formazzjoni tan-netwerk konduttiv u t-trasport tal-elettroni.
3.4 Effett tal-Karbonju Iswed u Ottimizzazzjoni tad-Daqs tal-Partiċelli tal-Graphite fuq il-Konduttività
Lim [13] et al. sprejjat taħlita ta 'trab tal-grafita naturali, iswed tal-karbonju, u solvent ta' methyl ethyl ketone fuq prepregs ta 'reżina epoxy/fibra tal-karbonju, imnixxefhom, u mbagħad laminat b'fojl tal-grafita fuq iż-żewġ naħat qabel tagħfas sħun biex jiffurmaw BPs komposti. Minħabba d-daqs tal-partiċelli iżgħar tagħhom, l-iswed tal-karbonju mxerred b'mod aktar uniformi u kien aktar effettiv minn trab tal-grafita naturali fiż-żieda tal-konduttività. Gautam [14] et al. Grafit saffi naturali interkalat kimikament f'soluzzjoni mħallta ta 'KMnO₄, HClO₄, u HNO₃ għal 1 min, imbagħad irradjat b'forn microwave biex jipproduċi grafita estiża b'volum speċifiku massimu ta' (570±10) mL·g⁻¹. Sussegwentement ippreparaw grafita estiża / iswed tal-karbonju / mikropartiċelli tal-grafita / BPs komposti tar-reżina fenolika; It-testijiet ta'-ċellula waħda wrew prestazzjoni aħjar minn komposti li użaw biss grafita estiża bħala mili konduttiv, attribwit għal vojt tal-mili ta' trab iswed tal-karbonju u grafita fin bejn mili konduttivi.
3.5 Effett ta 'l-impregnazzjoni bil-vakwu fuq il-konduttività u s-saħħa tal-flessjoni tal-pjanċi bipolari
Zhan Zize [3] et al. studja l-effetti taż-żieda tad-dilwent tar-reżina epossidika, it-temperatura u l-istruttura tal-pori tal-grafita fuq l-ammont ta 'impregnazzjoni tar-reżina waqt l-impregnazzjoni bil-vakwu, u evalwa l-konduttività elettrika, is-saħħa tal-flessjoni, u l-issikkar tal-gass tal-BPs taċ-ċelloli tal-fjuwil li jirriżultaw. Ir-riżultati indikaw li ż-żieda fil-kontenut ta 'dilwent u t-temperatura naqqset il-viskożità tar-reżina, ittejjeb il-kapaċità ta' impregnazzjoni u tippermetti li r-reżina timla pori ifjen. Madankollu, xi pori baqgħu mhux mimlija; pori taħt 0.1 μm fil-grafita estiża kienu diffiċli biex jippenetraw bis-sħiħ, u jipprevjenu mili komplut. It-temperatura ottimali ta 'l-impregnazzjoni bil-vakwu għal sistema ta' reżina epoxy/dilwent kienet ta '50 grad, u ż-żieda ta' dilwent ottimali (ethylene glycol diglycidyl ether) kienet 15 wt%. Il-BP miksub (EGP-H) kellu fil--konduttività tal-pjan ta '340.12 S/cm, saħħa tal-flessjoni ta' 41.52 MPa, u permeabilità tal-elju ta '5.4×10⁻⁷ cm³·cm⁻²·s⁻¹.
04 Sommarju tal-Approċċi Ewlenin biex Titjieb il-Prestazzjoni tal-Pjanċa Bipolari tal-Graphite
Rigward l-effetti tat-tipi ta 'materja prima, proporzjonijiet, u kundizzjonijiet tal-proċess tal-iffurmar fuq il-prestazzjoni tal-BP, huma identifikati erba' aspetti ewlenin:
(1) Ir-reżina torbot partiċelli konduttivi u tifforma netwerk tridimensjonali wara crosslinking, ittejjeb il-proprjetajiet mekkaniċi. Madankollu, reżina eċċessiva tnaqqas il-konduttività. Għalhekk, il-kontenut tar-reżina għandu jiġi ottimizzat biex jibbilanċja l-prestazzjoni mekkanika u elettrika.
(2) Meta l-grafita hija l-mili konduttiv ewlieni, il-grafita flake tifforma mogħdijiet konduttivi aktar faċilment mill-grafita bl-ingrossa. Id-daqs tal-partiċelli jaffettwa kemm il-konduttività kif ukoll il-proprjetajiet mekkaniċi, u distribuzzjoni xierqa tad-daqs tal-partiċelli għandha tiġi determinata permezz tal-ottimizzazzjoni.
(3) Żidiet żgħar ta 'karbonju iswed, fibri tal-karbonju, jew nanotubi tal-karbonju jistgħu jimlew b'mod effettiv il-vojt u jżidu l-mogħdijiet konduttivi. Sadanittant, jistgħu jiffurmaw rabtiet kovalenti ma 'gruppi funzjonali tar-reżina jew itejbu direttament it-toughness, u b'hekk itejbu s-saħħa tal-flessjoni, sabiex jittejbu kemm il-konduttività kif ukoll il-proprjetajiet mekkaniċi tal-BPs komposti.
(4) Fl-iffurmar tal-kompressjoni, huwa meħtieġ li jiġu ottimizzati kontinwament il-proporzjonijiet tal-materja prima u l-kundizzjonijiet tal-ippressar sħun-, iżidu l-operazzjonijiet paralleli, iqassru ċ-ċikli tal-produzzjoni, u tinkiseb produzzjoni ta 'fluss kontinwu.